馬華偉

（山東華邦建設集團有限公司，山東 濰坊 262500）

傳統(tǒng)的機械變速箱通常采用離散的齒輪和換擋機構來實現(xiàn)不同速比的變速功能。該機械變速方式存在換擋沖擊、能量損失和機械傳動部件損壞等問題。為了克服傳統(tǒng)機械變速箱的局限性，電氣分流無級變速箱系統(tǒng)逐漸成為一個研究熱點。該系統(tǒng)利用電動機和液壓系統(tǒng)的協(xié)同工作，通過控制電動機的轉速和扭矩分配獲得連續(xù)、平穩(wěn)的變速過程，從而實現(xiàn)理想的速度調節(jié)和動力輸出控制。鑒于這些優(yōu)勢，大型移動機械中的電氣分流無級變速箱系統(tǒng)設計成了當今工程技術領域的一個重要課題。通過設計和優(yōu)化該系統(tǒng)，可以提高機械效率、減少能源消耗、增強系統(tǒng)的可靠性和安全性，并提供更好的驅動性能。因此，對大型移動機械電氣分流無級變速箱系統(tǒng)的設計進行研究具有重要的理論和實際意義。

1 電氣分流無級變速箱系統(tǒng)設計

1.1 發(fā)電機及電動機參數設計

研究人員需要確定移動機械系統(tǒng)的總功率需求（Ptotal）。對機械系統(tǒng)進行詳細的功率分析和負載特性研究可以得到該參數。例如根據機器的推進力、運行速度和機械負載等方面的要求來計算所需的額定功率。在選擇發(fā)電機和電動機之前，需要確定所在地區(qū)的電網標準頻率和機械系統(tǒng)要求的頻率。常見的電網頻率為50Hz 或60Hz。此外，根據機械系統(tǒng)的需求選擇單相或三相供電方式。

根據所在地區(qū)的電壓標準和系統(tǒng)的電壓要求，選擇合適的發(fā)電機和電動機的額定電壓（Vrated）。通常情況下，電壓應與電網標稱電壓相匹配，但在特殊情況下可能需要使用變壓器進行電壓適配?；赑total和Vrated，使用公式（1）計算發(fā)電機和電動機的額定電流（Irated）。對三相系統(tǒng)來說，需要乘以這個系數。

研究人員需要根據機械系統(tǒng)的特性和工作條件來確定電動機的額定轉速（n）和所需轉矩（T），通過功率和轉速的關系公式計算所需的轉矩，如公式（2）所示。

式中：2π 是一個常數，用來把轉速從每分鐘轉換為弧度每秒。

研究人員要選擇適當的變頻器并確定電纜尺寸。一方面，根據電動機的參數和控制需求選擇適合的變頻器（頻率調節(jié)器）來控制電動機的轉速，并提供平滑變化的電力負載[1]。變頻器的選型應考慮其功率、電壓的匹配能力和所需的控制功能。另一方面，根據發(fā)電機和電動機的額定電流確定電纜截面積，如公式（3）所示。

式中：A代表所需的電纜截面積；I代表電流值；k代表電纜的傳導系數；J代表電纜的載流量。

1.2 車輛牽引力與起動點分析

在大型移動機械的電氣分流無級變速箱系統(tǒng)設計中，車輛牽引力與起動點分析是一項至關重要的任務，其目的在于確保車輛能夠順利啟動，并在運行過程中滿足性能要求。

進行車輛負荷分析是分析牽引力與起動點的第一步。這一步需要考慮車輛自身的質量和額定載荷，還有可能的工作條件下所承受的額外負荷。通過綜合評估車輛的負荷情況可以確定起動時所需的最小牽引力。

在起動過程中，車輛需要克服輪胎的滾動阻力。為了計算輪胎阻力，可以采用經驗公式或理論模型，并考慮車輛的負荷、輪胎類型以及路面情況等因素。通過計算輪胎阻力可以確定車輛起動時所需的附加牽引力，其計算如公式（4）所示。

式中：Fr代表輪胎阻力；Cr代表輪胎阻力系數；m代表車輛質量；g代表重力加速度。

此外，輪胎抓地力的分析也是關鍵的一步。在起動過程中，為了確保車輛能夠提供足夠的牽引力，輪胎需要充分抓住地面。輪胎的抓地力與多種因素有關，例如地面摩擦系數、車輪負載和輪胎類型等。對輪胎抓地力進行分析，可以確定車輛起動時所需的最大牽引力。

基于對牽引力和抓地力的分析結果，對車輛驅動系統(tǒng)進行設計。根據起動時所需的最小和最大牽引力，可以確定電機的額定功率和扭矩輸出。此外，還需要選擇合適的傳動裝置和變速箱類型，并設計相應的控制系統(tǒng)[2]。該階段的設計需要考慮傳動裝置的效率、可靠性和系統(tǒng)響應性能等方面的要求。

確定起動點時，需要考慮起動點的位置對車輛平衡和穩(wěn)定性的影響。起動點通常通過數值模擬或試驗方法來確定。在模擬過程中，應綜合考慮車輛的結構特性、負荷分布以及地面摩擦系數等因素，以尋找最佳起動點位置。其中，傳動裝置效率的計算如公式（5）所示。

式中：ηtransmission代表傳動裝置效率；Poutput代表輸出功率；Pinput代表輸入功率。

確定好起動點后，需要對系統(tǒng)進行驗證和調整。通過實際測試和數據采集，能夠驗證設計的驅動系統(tǒng)是否能夠提供足夠的牽引力并保持穩(wěn)定。如果需要進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，可以通過調整傳動裝置、控制策略或其他參數來實現(xiàn)。

1.3 傳動系統(tǒng)模型設計

1.3.1 確定設計需求

進行傳動系統(tǒng)模型設計前需要明確設計的需求，包括確定傳遞的功率范圍，即所需的最小和最大功率輸出；確定所需的速度調節(jié)范圍，即變速器需要能夠實現(xiàn)的最小和最大輸出速度；確定效率要求，即傳動系統(tǒng)需要達到的最低效率水平；確定可靠性要求，包括所需的壽命和可靠性指標等。通過明確設計需求，可以確保設計目標的清晰性和可衡量性。

1.3.2 選擇傳動方式

根據設計需求和應用場景選擇合適的傳動方式。常見的傳動方式包括齒輪傳動、鏈傳動和帶傳動等。對大型移動機械電氣分流無級變速箱系統(tǒng)來說，可能需要考慮多種傳動方式的組合，以滿足不同部分的需求。選擇傳動方式時需要考慮功率范圍、速度比要求、噪聲要求以及可靠性等因素。

1.3.3 繪制傳動布置圖

通過繪制傳動布置圖，可以直觀地了解傳動裝置各部分之間的相互關系，包括將主要部件如齒輪、鏈條和皮帶等繪制在圖紙上，并確定它們之間的連接方式和傳動關系。傳動布置圖有助于把握整體設計，并為后續(xù)的參數計算和模型設計提供基礎[3]。

1.3.4 確定傳動比

根據設計需求和所選的傳動方式確定傳動裝置各部件的傳動比。傳動比是指驅動軸和被驅動軸的轉速之比。在大型移動機械電氣分流無級變速箱系統(tǒng)中，可能需要多級傳動才能使速度調節(jié)范圍更廣泛。通過計算和分析，可以確定每個傳動級別的傳動比，以滿足設計需求（詳見表1）。

表1 變速箱傳動比

1.3.5 選擇材料和尺寸

根據所選傳動方式、傳動比和設計需求，選擇適當的材料和尺寸。材料的選擇應考慮強度、耐磨性、密封性和制造成本等因素。對于齒輪傳動，應選擇高強度合金鋼或硬質合金作為材料。對于鏈傳動和帶傳動，可以選擇高強度合金鋼或熱塑性聚合物作為鏈條或皮帶材料。尺寸選擇要考慮主要部件的大小、質量和布局，以確保傳動系統(tǒng)在有限空間內能有效運行。

1.3.6 傳動系統(tǒng)模型設計和分析

使用計算機輔助設計（CAD）軟件進行傳動系統(tǒng)模型的設計和分析。根據傳動布置圖和已選擇的材料、尺寸等信息繪制傳動系統(tǒng)的三維模型，并進行力學性能分析。通過分析受力情況、動態(tài)響應等因素，評估傳動系統(tǒng)的可靠性和運行效果。

1.3.7 計算傳動系統(tǒng)參數

根據設計需求和傳動系統(tǒng)模型，進行傳動系統(tǒng)參數的計算，包括齒輪的模數、齒數、嚙合面角度、鏈條的張緊力以及皮帶的拉力等參數的計算。通過參數計算可以優(yōu)化傳動系統(tǒng)的設計，以滿足設計需求并獲得良好的性能。

1.3.8 優(yōu)化設計

根據仿真結果和驗證數據，對傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化設計?？梢愿鶕枨笳{整傳動比、改變材料或尺寸等，以提升傳動系統(tǒng)的性能和可靠性。通過反復優(yōu)化設計，最終得到滿足設計要求的傳動系統(tǒng)模型。

1.4 動力分流無級變速箱模型設計

進行設計前，研究人員需要明確設計的需求和技術規(guī)范，其中包括了解應用場景，確定所需的輸出功率范圍、扭矩要求和輸出轉速范圍等關鍵參數。同時，還需要參考相關標準和規(guī)范，確保設計符合安全性、可靠性和性能方面的要求。在該基礎上，研究人員根據設計需求和機械系統(tǒng)的特性，選擇最適合的動力分流無級變速箱類型。常見的類型包括液壓變速箱、電動變速箱和混合動力變速箱等。每種類型都有其優(yōu)點和局限性，因此需要綜合考慮各種因素，如功率密度、效率、可靠性和成本等方面，做出明智的選擇。例如在計算齒輪傳動效率時，引入相關計算公式，如公式（6）所示。

式中：i代表傳動比。

研究人員需要根據移動機械的工作原理和要求確定合適的動力分配方案，涉及各個動力源（如發(fā)動機、電動機等）與主傳動裝置之間的連接方式和控制策略。根據設計需求選擇適當的分流器、離合器和轉速控制系統(tǒng)等關鍵組件是動力分流無級變速箱系統(tǒng)設計過程中的重要一步。這些組件的選擇將直接影響系統(tǒng)的能量分配和轉變效果。進行初步設計和計算前，研究人員需要詳細研究和分析不同組件的特性和性能。針對分流器的選擇，研究人員需要考慮多個因素，包括系統(tǒng)所需的功率范圍、扭矩傳遞能力和變速范圍等。通過計算和仿真，研究人員可以評估所選分流器的效率、響應時間和可靠性，以確保其能夠滿足系統(tǒng)的能量分配要求。離合器的選擇也是設計過程中的關鍵一環(huán)。研究人員需要根據系統(tǒng)的工作原理和需求選擇適當的離合器類型，如濕式離合器、干式離合器或電子控制式離合器等。還需要考慮系統(tǒng)的響應速度、穩(wěn)定性和可靠性，并進行計算和仿真來驗證所選系統(tǒng)的性能。通過合理的轉速控制設計，可以實現(xiàn)無級變速過程中的平穩(wěn)轉變和能量轉移，同時提高系統(tǒng)的效率和響應性。在計算齒輪離心力過程中，引入相關計算公式，如公式（7）所示。

式中：Fc代表離心率；m代表質量；ω代表角速度；r代表齒輪的半徑。

完成全部設計后，研究人員需要進行動力分流無級變速箱系統(tǒng)的集成和驗證，包括制造和裝配各個組件、系統(tǒng)連接、控制系統(tǒng)調試和性能測試、負載試驗等。通過驗證測試結果，評估系統(tǒng)的整體性能，并根據需要對設計進行調整和改進[4]。此外，研究人員還要編寫完整的技術文檔，包括設計手冊、裝配圖紙和控制邏輯說明書等，便于后續(xù)的生產和維護工作。這些文件應清晰明了地記錄設計細節(jié)和相關參數，為生產工藝和維護提供指導。

在集成和驗證階段，研究人員需要密切合作，確保各個組件按照設計要求進行制造和裝配，并仔細檢查每個組件的質量和匹配性，確保它們能夠正確地連接在一起，形成一個完整的系統(tǒng)。

同時，控制系統(tǒng)的調試也是一個關鍵任務。研究人員需要對各個控制參數進行仔細調整和校準，以確保系統(tǒng)在不同工況下都能夠穩(wěn)定運行并提供最佳性能。并通過模擬和實際測試來驗證控制系統(tǒng)的功能和響應性，以保證其能夠準確控制變速箱的工作。

進行性能測試和負載試驗是評估系統(tǒng)整體性能不可或缺的環(huán)節(jié)。研究人員會設置一系列的測試場景，模擬實際使用情況下的不同負載和工況條件，監(jiān)測并記錄系統(tǒng)的輸出、溫度和噪聲等參數，并與設計要求進行對比。通過這些測試，研究人員可以全面評估系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和效率，為進一步改進和優(yōu)化提供有力的支持。

2 變速箱模型設計匹配

該文研究中，相關工作人員在進行變速箱模型匹配工作過程中，引入了發(fā)電機、電動機初始值（詳見表2）。

表2 發(fā)電機、電動機計算初值

此外，研究人員通過與廠家進行溝通，明確了發(fā)電機與電動機的輸入值（詳見表3）。

表3 發(fā)動機、電動機輸入參數

將上述數據代入模型，計算出發(fā)電機、電動機的功率為453kW/h，其實際使用功率為450kW/h。

該文研究中，工作人員引入四杠桿分析方法，通過該方法可以得到適用于大型移動機械的4 種雙排行星齒輪排構型。在這些構型中，研究人員選擇了2 種構型，即RCS214和RCS314，用于設計適用于該機械的復合分配型變速箱模型和簡單傳動系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，電動機轉變?yōu)榘l(fā)電機，用于發(fā)電。而發(fā)電機則起到輸出轉矩的電動機的作用。該設計的理念非常巧妙，通過將電動機和發(fā)電機的功能進行互換，實現(xiàn)了能量的高效利用[5]。當機械需要進行運動時，電動機轉變?yōu)榘l(fā)電機，將產生的電能存儲起來，以供后續(xù)使用。而當機械需要輸出轉矩時，發(fā)電機則轉變?yōu)殡妱訖C，將儲存的電能轉換為動力，驅動機械正常運轉。

3 結論

該文討論了大型移動機械的變速箱，提出了一種電氣分流無級變速箱模型。研究的內容主要包括如下方面。第一，對市場上小型乘用車所采用的電氣分流無級變速箱進行了調研，并分析了豐田汽車公司在該方面的發(fā)展思路和路徑。第二，通過分析不同構型動力分流耦合裝置的特點，探討了適用于大型移動機械的功率輸入分配型和功率混合分配型的使用情況。第三，通過分析動力傳遞路徑，建立了傳動系統(tǒng)模型，并確定了影響各部件轉速、轉矩和傳遞功率的參數變量。第四，對關鍵的發(fā)電機/電動機進行了詳細分析，指明了影響其性能的參數和計算方法。此外，還詳細分析了大型移動機械在起動和運行過程中牽引力、發(fā)動機功率和車輛速度之間的關系。

然而，由于研究時間和筆者知識水平的限制、電氣分流變速箱的復雜性以及實際工況的多樣性，一些方面考慮得不夠詳細。不過，筆者相信隨著電氣技術和電動機產品的進一步發(fā)展，在可靠性、力矩、功率密度、價格和換擋策略等方面將會有更大的突破。