履帶車輛雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究 Design and Research of Dual-motor Coupling Drive Mechanism for Tracked Vehicles

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(yīng)用于工程機(jī)械、軍事領(lǐng)域和農(nóng)田作業(yè)。由于履帶車輛的工作環(huán)境非常復(fù)雜，若只靠單個(gè)電動(dòng)機(jī)或者雙側(cè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在車輛滿負(fù)載工況時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出牽引功率和力矩?zé)o法滿足工作要求，會(huì)造成整車動(dòng)力性不足。基于此，本文對(duì)履帶車輛進(jìn)行雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和探討，以改善履帶車輛的動(dòng)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(guān)鍵詞：履帶車輛;電驅(qū)動(dòng);電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)

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

中圖分類號(hào)：U469.6+94? ? ? ? ? ? ?;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(qū)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)越來越多，內(nèi)燃機(jī)排放的尾氣會(huì)污染環(huán)境，引起全球氣候表暖，而且石油也會(huì)有枯竭的一天。在這種情況下，電驅(qū)動(dòng)機(jī)器成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，純電動(dòng)汽車、純電動(dòng)拖拉機(jī)等不斷問世，為此，各國(guó)也開始制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，促進(jìn)純電驅(qū)動(dòng)履帶式車輛的研發(fā)。與傳統(tǒng)履帶式車輛相比，電動(dòng)履帶式車輛具有起步加速快、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速、操作簡(jiǎn)單輕便、震動(dòng)小、舒適性能好、零污染和零排放等很多優(yōu)點(diǎn)。基于此，電驅(qū)動(dòng)履帶車輛在許多領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增長(zhǎng)，具有很好的發(fā)展前景。

1? 電驅(qū)動(dòng)履帶式車輛發(fā)展概述

電機(jī)問世已有一百九十多年，而最早把電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于履帶車輛的是法國(guó)，當(dāng)時(shí)法國(guó)研制的“圣沙蒙”坦克，采用的是單電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yīng)用。然而，在第二次世紀(jì)大戰(zhàn)期間，由于戰(zhàn)爭(zhēng)原因，各國(guó)停止了對(duì)電驅(qū)動(dòng)履帶車輛的研究，當(dāng)時(shí)研究最火是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶車輛，主要是當(dāng)時(shí)蓄電池笨重且不耐用，電子控制技術(shù)比較落后，設(shè)計(jì)出來的電驅(qū)動(dòng)履帶車輛行駛里程短，不利于戰(zhàn)場(chǎng)使用。到了1984年美國(guó)采用雙側(cè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式設(shè)計(jì)出M113步兵戰(zhàn)車，改善了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)中轉(zhuǎn)向困難的問題，德國(guó)的LLX試驗(yàn)車也是采用的這種驅(qū)動(dòng)方式，但受當(dāng)時(shí)電機(jī)性能的限制，不適合用于重型履帶車輛。隨著電控技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的快速，油電混合驅(qū)動(dòng)、單電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)組合驅(qū)動(dòng)在履帶車輛上進(jìn)行了應(yīng)用，改善了重型履帶車輛轉(zhuǎn)向力不足的問題。

我國(guó)由于工業(yè)體系發(fā)展比較晚，直到2004年北京理工大學(xué)的孫逢春院士才帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)電驅(qū)動(dòng)輕型履帶車輛進(jìn)行了研究樣車試驗(yàn)，填補(bǔ)了我國(guó)的電驅(qū)動(dòng)履帶車輛的空白，近幾年來，孫院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的電驅(qū)動(dòng)履帶車輛在某軍工廠進(jìn)行了大量動(dòng)力分配和能量管理技術(shù)方面的試驗(yàn)和布局改進(jìn)，于此時(shí)同，國(guó)內(nèi)高校對(duì)雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)技術(shù)也進(jìn)行了大量的理論和仿真試驗(yàn)研究，增加電機(jī)耦合機(jī)構(gòu)后使得電機(jī)轉(zhuǎn)向功率得到了大大的提升，目前主要應(yīng)用在電驅(qū)動(dòng)重型履帶車輛和小型無人駕駛履帶車輛。目前在電驅(qū)動(dòng)履帶車輛上應(yīng)用最廣的是感應(yīng)電機(jī)，主要是其轉(zhuǎn)矩特性好、可靠性高、制造成本低，隨著電池技術(shù)的不斷完善，今后履帶車輛會(huì)得到更好的應(yīng)用。

2? 履帶車輛雙電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的電驅(qū)動(dòng)履帶車輛雙耦合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，是在原有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)履帶車輛的驅(qū)動(dòng)方式及車型上進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)箱、油冷式發(fā)電機(jī)、蓄電池、電機(jī)控制模塊、左右側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液壓操縱動(dòng)力耦合變速機(jī)構(gòu)、左右側(cè)減速機(jī)構(gòu)和左右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪組成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是交流感應(yīng)電機(jī)，右側(cè)電機(jī)的功率比左側(cè)電機(jī)的功率要大，左右兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過法蘭盤與液壓操縱動(dòng)力耦合變速機(jī)構(gòu)的箱體固定，并分別置于箱體的左右兩側(cè)。

依據(jù)車輛動(dòng)力來源的形式分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行區(qū)分，此種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式屬于混合動(dòng)力，因?yàn)樵撥囉袃商讋?dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作的情況下，由車上的蓄電池給左右兩側(cè)電機(jī)供電，電機(jī)動(dòng)力通過液壓操縱動(dòng)力耦合變速機(jī)構(gòu)和左右側(cè)減速機(jī)構(gòu)傳遞到左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪上，帶動(dòng)履帶行駛工作;當(dāng)電量傳感器檢測(cè)到蓄電池儲(chǔ)存的電量將要消耗殆盡時(shí)，反饋給柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制模塊，使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作，然后發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過傳動(dòng)箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，發(fā)電機(jī)發(fā)的電并入蓄電池充電系統(tǒng)，主要給左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，多余的電量沖入蓄電池中進(jìn)行儲(chǔ)存，在這種情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力間接來源于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況不受履帶車輛工作環(huán)境的影響，此時(shí)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)可以一直處于最佳工作狀態(tài)，可以提高柴油的經(jīng)濟(jì)效益，控制尾氣的排放。

2.2 動(dòng)力耦合原理

此履帶車中的液壓操縱動(dòng)力耦合變速機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)路線如圖2所示，紅色虛線框框?yàn)轳詈蟿?dòng)力耦合變速機(jī)構(gòu)，其中變速機(jī)構(gòu)可以通過不同的液壓油路控制檔位離合器的開閉，從而實(shí)現(xiàn)車輛的低速檔、高速檔和倒擋的位置切換，其中轉(zhuǎn)向或原地中心轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向油泵控制。由于感應(yīng)電機(jī)速度調(diào)節(jié)范圍較寬，可以由電機(jī)控制模塊對(duì)左右電機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，因此，不需要傳統(tǒng)笨重的多檔位變速齒輪組，只需要能實(shí)現(xiàn)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(jiǎn)化了變速機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。

此液壓操縱動(dòng)力耦合變速機(jī)構(gòu)主要是對(duì)左右電機(jī)的功率進(jìn)行耦合，這種耦合方式可以降低左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求功率和過載系數(shù)，從而提高履帶車輛的機(jī)動(dòng)性能。此結(jié)構(gòu)中右側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過左側(cè)輸入軸上的小齒輪與大齒圈嚙合，對(duì)動(dòng)力進(jìn)行減速增矩后輸送到固定齒圈上，右側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸設(shè)有液壓操縱離合器，用于結(jié)合、斷開大齒圈與右側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的連接;左側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過右側(cè)輸入軸直接連接太陽(yáng)輪，當(dāng)左右側(cè)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，兩電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過大齒圈和太陽(yáng)輪匯入行星齒輪中，行星齒輪對(duì)兩動(dòng)力進(jìn)行耦合后由行星架輸出至變速機(jī)構(gòu)。

2.3 驅(qū)動(dòng)行駛原理

當(dāng)履帶車輛在起步、爬坡和加速時(shí)，由于車輛的行駛阻力較大，左右側(cè)電機(jī)同時(shí)工作，通過電機(jī)控制模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使大齒圈和太陽(yáng)輪流入行星齒輪的動(dòng)力方向相同，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)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(jī)構(gòu)，提高了驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)矩，增大了驅(qū)動(dòng)力。此時(shí)左右側(cè)電機(jī)輸出和行星架轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系可以利用傳動(dòng)比進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)履帶車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)控制模塊控制左側(cè)電機(jī)不工作、右側(cè)電機(jī)正常工作，再把換擋控制手柄掛入空擋，此時(shí)液壓閥門控制右側(cè)電機(jī)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(dòng)力。右側(cè)電機(jī)輸入軸上的轉(zhuǎn)向泵可以正常工作，此泵為雙向泵，當(dāng)駕駛員操縱轉(zhuǎn)向拉桿時(shí)，可以控制此轉(zhuǎn)向泵正反轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓油路經(jīng)轉(zhuǎn)向泵流入變速機(jī)構(gòu)，使變速機(jī)構(gòu)中的左右半軸實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使履帶車輛進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向，降低了履帶內(nèi)外側(cè)力對(duì)電機(jī)輸出力的影響。

3? 動(dòng)力學(xué)計(jì)算

當(dāng)左右側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)工作時(shí)，可以計(jì)算出行星架輸入變速機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系，如下所示：

T右——右側(cè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m;

n右——右側(cè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min;

T行星——行星架輸入變速機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩，N·m;

n行星——行星架輸入變速機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，r/min;

k——行星排特征參數(shù);

i——右側(cè)電機(jī)到大齒圈傳動(dòng)比;

T左——左側(cè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N·m;

n左——左側(cè)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min。

由上述兩公式可知道，本電驅(qū)動(dòng)履帶車輛在爬坡等過程中出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力不足時(shí)，液壓操縱動(dòng)力耦合變速機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速以增大輸入功率，保證右側(cè)電機(jī)在高效區(qū)運(yùn)行，因此，應(yīng)對(duì)不同的駕駛工況，應(yīng)選擇對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)檔位以匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率需求，避免功率過剩造成的低效率和高能耗。

4? 總結(jié)

本文在基于傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和雙側(cè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了兩者的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種功率耦合的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在轉(zhuǎn)向過程中可以通過耦合機(jī)構(gòu)匯流動(dòng)力，從理論上分析對(duì)降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率過載系數(shù)和提高功率利用率具有很好的效果。

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