液壓混合動力模擬車輛結構設計及特性仿真研究

韓 斌 高公如 陳 晨,2 史偉杰,2

（1.山東常林機械集團股份有限公司，臨沂 276700；2.青島科技大學 機電工程學院，青島 266061）

液壓系統具有遠高于機械、電力等其他系統的功率密度。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點，將帶有液壓蓄能器的能量再生和利用裝置配置在車輛上，并將其與發動機動力傳動系統相結合，成為液壓混合動力車輛。

本文設計一種液壓混合動力車輛模擬結構，可充分收集制動的能量，并在一定的工況下釋放。在需要頻繁剎車和起步的路況下，它可明顯降低系統油耗，大大延長了剎車設備的使用壽命，同時可以減少對車輛整體總能量的消耗[4]。這種采用液壓混合動力的車輛不但可以在較短時間內實現大功率制動能源的回收和釋放，而且它們在成本、可靠度等方面也有著較大的優勢。因此，在蓄電池關鍵技術尚不能解決的今天[5]，液壓混合動力車輛具有很好的應用前景[6]。

1 結構設計

根據各種動力系統底盤動力源之間耦合方式和運行傳動方式存在的差異，液壓混合動力汽車的系統底盤傳動結構可以分為串聯式液壓混合動力、并聯式液壓混合動力和混聯式液壓混合動力。其中，并聯式液壓混合動力系統是在傳統系統的基礎上加裝了一套液壓輔助動力系統，可直接在傳統底盤上進行改造，改造難度相對較低，成本低廉，最具有應用價值和推廣價值。此外，它的系統總效能和質量比串聯式的構型更高，結構也較為簡單，是一種十分有發展前景的動力構型。因此，本設計采用并聯式液壓混合動力構型作為模擬車輛的基本構型。

并聯式液壓混合動力車輛系統共有兩個動力源：發動機（電機）為主動力源，負責在大多數工況下給車輛提供驅動力；液壓泵/馬達作為輔助動力源，在液壓系統驅動的工況下提供動力。并聯式液壓混合動力車輛實現的基本功能是在車輛需要進行制動的情況下用液壓系統來制動。此時，車輛的動能被轉化為壓強能，儲存在液壓蓄能器內。在車輛要啟動的工況下，液壓蓄能器充分釋放壓強能，使得液壓泵/馬達高速轉動，驅動車輛前進。液壓混合動力車輛的基本模型如圖1所示，能量傳遞情況如圖2所示。本設計中用油箱代替低壓蓄能器。

液壓混合動力模擬車輛包括基礎車架、機械傳動系統、電力驅動系統和液壓動力系統4部分。其中：基礎車架由底盤、軸、輪軸帶座軸承和車輪組成；齒輪傳動系統由大齒輪、小齒輪、電機配合軸、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；電力驅動系統由電動機、電機-齒輪電磁離合器和電機-離合器一體支撐架組成；液壓動力系統由馬達/柱塞泵、軸離合器、液壓軟管、液壓油箱、壓力表、先導式溢流閥、油箱支架、板式電磁開關閥、壓強傳感器、主閥塊、液壓硬管、卡套式管接頭、蓄能器以及小閥塊等組成。

車架主體是一個底盤，底盤下方為4個輪軸帶座軸承和2個輪軸。4個帶座軸承安裝在底盤的下方，采用螺栓固定。輪軸兩端分別帶有一個車輪，其中在一個輪軸上安裝有一個小齒輪，用于連接動力系統。齒輪傳動系統是連接電力驅動系統和液壓動力系統的關鍵系統，包括4個大齒輪、3個小齒輪、1個電機配合軸、1個液壓泵配合軸、1個雙大齒輪軸、1個大/小齒輪軸、4個軸承支撐塊、2個一體式軸承支架、2個分體式軸承支撐架、4個菱形帶座軸承、4個配合軸帶座軸承和2個軸套。其中，電機配合軸上安裝有一個大齒輪，液壓泵配合軸上安裝有一個小齒輪，雙大齒輪軸安裝有兩個大齒輪，大小齒輪軸安裝有一個大齒輪和一個小齒輪。兩個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底盤，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。所述的電力驅動系統是汽車的主要動力裝置，電機-離合器一體支撐架安裝于汽車底盤上采用螺栓固定，電動機與電磁離合器均采用螺栓固定在電機-離合器一體支撐架上。電磁離合器與齒輪傳動系統中的電機配合軸采用軸套連接后進行同步轉動。所述的液壓動力系統是汽車的制動裝置和輔助啟動裝置。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底盤上采用螺栓固定，液壓泵/馬達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、先導式溢流閥、板式電磁開關閥和壓強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卡套式管接頭連接。

具體的工作過程為在大多工況下由電機提供動力驅動車輛前進，此時連接電機的離合器工作，連接馬達/柱塞泵的離合器斷開。動力由電機通過齒輪裝置傳遞到車軸驅動車輛前進。當需要制動時，連接電動機的離合器斷開，連接馬達/柱塞泵的離合器工作。在車輛制動的同時，轉動的車輪通過齒輪傳動帶動柱塞泵工作，通過液壓回路將壓強能儲存到蓄能器中。

2 動態特性仿真

通過AMESim軟件對液壓混合動力模擬車輛液壓系統進行仿真研究，依據車輛的工作原理搭建車輛的整車底盤系統。為簡化分析，將車輛放置在特定的工況下進行仿真，通過觀察車輛的各項數據曲線分析車輛的性能，如圖3所示。

根據實際情況選擇仿真模型以求最大限度地逼近真實，選擇排量為2.5 mL·r-1、容積效率為90%、機械效率為90%的液壓泵/馬達。選擇容積為0.63 L的液壓蓄能器，設置氣體預充壓強為0.5 MPa，設定氣體多變指數為1.4。設置干式摩擦離合器的摩擦的轉矩最大值為20 N·m。設置液壓油液的密度為850 kg·m-3，體積彈性模量為1 700 MPa，油液的絕對粘度為51 mPa·s-1，油液的總質量為50 kg。模擬車輛的車輪滾動半徑設置為0.1 m，滾動摩擦阻力系數設置為0.015，迎風面積設置為0.445 m2。車輛行駛環境設置空氣密度1.205 kg·m-3，環境溫度設置為25 ℃。

為簡化分析，將車輛置于特定工況下，即0～80 s，車輛處于電機驅動模式；80 s車輛停住，處于液壓制動模式；車輛停住，蓄能器壓強低于某值，車輛處于液壓驅動模式；蓄能器壓強低于某值，往后50 s，車輛處于電機驅動模式。

圖4為液壓混合動力模擬車輛的仿真動態性能。可以看出：在0～80 s內，車輛處于電機驅動模式，70 s左右達到勻速狀態；車輛從80 s開始進入液壓制動狀態，液壓二次元件處于泵工況，車輛的動能轉化為壓強能，儲存在蓄能器內，在109 s左右蓄能器壓強達到最大，此時車輛停住；然后蓄能器開始向外釋放壓強能，液壓二次元件轉化為馬達工況，驅動車輛前進；在152 s左右時，蓄能器的壓強值到達壓強傳感器設定的壓強值，此時轉為電機驅動模式，繼續前進。

蓄能器和液壓泵的排量是液壓混合動力模擬車輛的兩個重要參數，因此著重分析這兩個參數對車輛動態特性的影響。圖5為蓄能器容積對輪胎轉速和蓄能器壓強的影響。由圖5可知：當蓄能器的最低工作壓強逐漸提高時，系統的動態響應速度變快，輪胎穩態轉速基本不變；當蓄能器的容積增大時，系統的動態響應速度變化不大，蓄能器的最高壓強升高。

圖6為液壓泵排量對系統的影響。可見，隨著液壓二次元件排量的增大，系統的動態響應速度顯著提高，壓強變化范圍減小，表明大排量有助于提高混合動力模擬車輛液壓系統的性能。

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

3 結論

本文設計了一種并聯式液壓混合動力模擬車輛，可以實現在車輛制動時通過處于泵工況的液壓二次元件將動能轉化為壓強能儲存在液壓蓄能器中，待啟動時又可以通過處于馬達工況的液壓二次元件將蓄能器中的壓強能轉化為車輛的動能來驅動其前進，以此達到節能的目的。利用仿真軟件AMESim對液壓系統在特定工況下進行仿真，通過改變液壓泵排量和蓄能器容積等參數分析其對系統性能的影響，結論如下：

（1）液壓混合動力模擬車輛方案可行，具有較好的節能效果；

（2）蓄能器的容積增大時，系統的動態響應速度變化不大，蓄能器的最高壓強升高；

（3）大排量有助于提高混合動力模擬車輛液壓系統的性能。