一種基于行星傳動的履帶車輛及其傳動系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于行星傳動的履帶車輛及其傳動系統(tǒng)，涉及履帶車輛傳動技術(shù)領(lǐng)域。履帶車輛傳動系統(tǒng)包括三排行星齒輪機(jī)構(gòu)以及六個系統(tǒng)構(gòu)件，六個系統(tǒng)構(gòu)件分別為發(fā)動機(jī)、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)以及用于分別控制兩側(cè)履帶的第一輸出軸和第二輸出軸；六個系統(tǒng)構(gòu)件分別與三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的九個節(jié)點(diǎn)中的六個節(jié)點(diǎn)連接，三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的自由度為三、約束為三，約束中包括至少兩個耦合類約束，以使得各排行星齒輪機(jī)構(gòu)間相互連接。通過上述方案，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種基于行星傳動的履帶車輛及其傳動系統(tǒng)，可以在履帶車輛及其傳動系統(tǒng)中發(fā)揮行星傳動的優(yōu)勢。
【專利說明】
一種基于行星傳動的履帶車輛及其傳動系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及履帶車輛傳動技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于行星傳動的履帶車輛及 其傳動系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前針對混合動力履帶車輛的研究剛剛起步，并且大多數(shù)的傳動系統(tǒng)采用串聯(lián)式 工作模式，即發(fā)動機(jī)通過發(fā)電機(jī)發(fā)電，將能量存儲在儲能機(jī)構(gòu)中，然后輸出動能。
[0003]混聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)具有效率高等優(yōu)勢，目前主要包括基于行星傳動的功率耦合 機(jī)構(gòu)及單軸或多軸的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。相比于串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，行星傳動具有承載力強(qiáng)，工作穩(wěn)定， 及實(shí)現(xiàn)大功率傳動等明顯特點(diǎn)，同時行星傳動可以實(shí)現(xiàn)無極變速，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。
[0004] 目前基于行星傳動的混合動力傳動系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在乘用車中，尚少有基于 行星傳動的混合動力履帶車輛傳動系統(tǒng)的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于行星傳動的履帶車輛及其傳動系統(tǒng)，從而在履帶 車輛及其傳動系統(tǒng)中發(fā)揮行星傳動的優(yōu)勢。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于行星傳動的履帶車輛傳動系統(tǒng)，包括三排 行星齒輪機(jī)構(gòu)以及六個系統(tǒng)構(gòu)件，六個系統(tǒng)構(gòu)件分別為發(fā)動機(jī)、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三 電機(jī)以及用于分別控制左右兩側(cè)履帶的第一輸出軸和第二輸出軸;六個系統(tǒng)構(gòu)件分別與三 排行星齒輪機(jī)構(gòu)的九個節(jié)點(diǎn)中的六個節(jié)點(diǎn)連接，三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的自由度為三、約束為 三，約束中包括至少兩個耦合類約束，以使得各排行星齒輪機(jī)構(gòu)間相互連接。
[0007] 在一個實(shí)施例中，只考慮組成，不考慮相對位置的情況下，三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié) 構(gòu)組合為aaa、aab 、aac、aad、acc、add、abc、abd、acd、bcc、bdd、bcd、aae、aaf、abf、ace、acf、 ade、 adf、bcf、bdf、cce或cde中的任意一類，其中的a表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分 別連接發(fā)動機(jī)、一個電機(jī)、一個輸出軸，b表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接發(fā)動 機(jī)、兩個電機(jī)，c表不一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接兩個電機(jī)、一個輸出軸，d表不 一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接一個電機(jī)、兩個輸出軸，e表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的 三個節(jié)點(diǎn)分別連接發(fā)動機(jī)、一個電機(jī)、制動器，f表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連 接一個電機(jī)、一個輸出軸、制動器。
[0008] 在一個實(shí)施例中，根據(jù)行星排的相對位置關(guān)系，可將上述大類別繼續(xù)拆分成若干 小類(或稱子類）dbc類包括abc、acb和bac子類;abd類包括abd、bad、adb子類;acd類包括 8〇(1、。&(1、&(1。子類;13。(1類包括13。(1、(^(1、&(1。子類;&&13類包括&&13、&&&子類 ；手舌BBC > aca子類;aad類包括aad、ada子類;acc類包括acc、cac子類;add類包括add、dad子類;bcc類 包括bcc、cbc子類;bdd類包括bdd、dbd子類;abf類包括abf、baf和afb子類;ace類包括ace、 cae和aec子類；acf類包括acf、caf和afc子類；ade類包括ade、dae和aed子類；adf類包括 adf、 daf和afd子類;bcf類包括bcf、bfc和cbf子類;bdf類包括bdf、dbf和bfd子類;cde類包 括cde、dee和ced子類;aae類包括aae、aea子類;aaf類包括aaf、afa子類;cce類包括cce、cec 子類。
[0009]在一個實(shí)施例中，履帶車輛傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對應(yīng)第一動力學(xué)特征矩陣D，其中，D的 列數(shù)等于行星排個數(shù)，D的行數(shù)等于系統(tǒng)構(gòu)件的總數(shù)，如果系統(tǒng)構(gòu)件與第i排行星齒輪機(jī)構(gòu) 的齒圈R相連，則D中對應(yīng)位置元素的節(jié)點(diǎn)系數(shù)為-R 1，如果系統(tǒng)構(gòu)件與第i排行星齒輪機(jī)構(gòu) 的太陽輪S相連，D中對應(yīng)位置元素的節(jié)點(diǎn)系數(shù)為-S1，如果系統(tǒng)構(gòu)件與第i排行星齒輪機(jī)構(gòu) 的行星架C相連，D中對應(yīng)位置元素的節(jié)點(diǎn)系數(shù)為Ri+Si，D中其他位置元素全部為0，i = 1、2、 3；
[0010]六個系統(tǒng)構(gòu)件的角加速度與力矩的對應(yīng)關(guān)系如下：
[0012] 其中，、電a_:2、_ _&_ _、、_ 分力Ij為發(fā)動機(jī)、弟一出軸、弟 二輸出軸、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)的角加速度，第二動力學(xué)特征矩陣#=(〇〇7廣 1[1-D(DtD)^1Dt]，Te、Toutl、T〇 ut2、Tmgl、Tmg2、Tmg3分別為發(fā)動機(jī)、第一輸出軸、第二輸出軸、第一電 機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)的力矩。
[0013] 在一個實(shí)施例中，履帶車輛傳動系統(tǒng)的第二動力學(xué)特征矩陣W符合以下條件，以 實(shí)現(xiàn)兩側(cè)履帶的獨(dú)立控制，
[0015]在一個實(shí)施例中，履帶車輛傳動系統(tǒng)的第二動力學(xué)特征矩陣W符合以下條件，以 實(shí)現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向功能，
[0017]在一個實(shí)施例中，履帶車輛傳動系統(tǒng)的第二動力學(xué)特征矩陣W符合以下條件，以 實(shí)現(xiàn)倒退功能，
[001 8] Α*21 · A*31〈0 ;或Α*24 · A*34〈0 ;或Α*25 · A*35〈0 ;或Α*26 · A*36〈0。
[0019]在一個實(shí)施例中，履帶車輛在當(dāng)前車速下的最大牽引力根據(jù)當(dāng)前速度下的最大角 加速度°^確定，max屯采用如下公式確定：
[0024] 其中，"分別表示當(dāng)前車速下第n組發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的角加速度 及其最大值，η的取值范圍為1到k，Tcmtl和Tciut2根據(jù)當(dāng)前車速和路面情況確定，T mgl_n、Tmg2_n、 Tmg3^Ty分別表示當(dāng)前車速下第η組發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下各個電機(jī)和發(fā)動機(jī)的力矩，該力矩范圍 根據(jù)電機(jī)和發(fā)動機(jī)的外特征曲線確定。
[0025] 在一個實(shí)施例中，根據(jù)履帶車輛傳動系統(tǒng)的候選結(jié)構(gòu)對應(yīng)確定循環(huán)工況時的不同 油耗，選擇使油耗最小的候選結(jié)構(gòu)作為該履帶車輛的結(jié)構(gòu)。
[0026] 本發(fā)明還提供一種履帶車輛，包括前述實(shí)施例中的履帶車輛傳動系統(tǒng)。
[0027] 通過上述方案，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種基于行星傳動的履帶車輛及其傳動系統(tǒng)，可以 在履帶車輛及其傳動系統(tǒng)中發(fā)揮行星傳動的優(yōu)勢。此外，還實(shí)現(xiàn)了兩側(cè)履帶的獨(dú)立控制、中 心轉(zhuǎn)向、倒退等功能。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明基于行星傳動的履帶車輛傳動系統(tǒng)的一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 [0029]圖2Α是本發(fā)明具有三個耦合類約束的三排行星齒輪機(jī)構(gòu)（3-split)-個實(shí)施例的 示意圖。
[0030] 圖2B是本發(fā)明具有兩個耦合類約束以及一個制動類約束的三排行星齒輪機(jī)構(gòu)(2-split+1-ratio) -個實(shí)施例的示意圖。
[0031] 圖3A是本發(fā)明三排行星齒輪機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)構(gòu)件連接的一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 [0032]圖3B是與圖3A具有同構(gòu)關(guān)系的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖4是本發(fā)明abc小類對應(yīng)的三排行星齒輪機(jī)構(gòu)與各系統(tǒng)構(gòu)件連接方式的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]在附圖中，使用相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能 的元件。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0035]圖1是本發(fā)明基于行星傳動的履帶車輛傳動系統(tǒng)的一個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 [0036]如圖1所示，該基于行星傳動的履帶車輛傳動系統(tǒng)100包括:三排行星齒輪機(jī)構(gòu)10 以及六個系統(tǒng)構(gòu)件，六個系統(tǒng)構(gòu)件分別為發(fā)動機(jī)20、三個電機(jī)30 (即第一電機(jī)31、第二電機(jī) 32、第三電機(jī)33)以及用于分別控制左右兩側(cè)履帶的兩個輸出軸40(即第一輸出軸41和第二 輸出軸42)。六個系統(tǒng)構(gòu)件分別與三排行星齒輪機(jī)構(gòu)10的九個節(jié)點(diǎn)中的六個節(jié)點(diǎn)連接。其 中，電機(jī)既可作為電動機(jī)也可作為發(fā)電機(jī)。
[0037] 此外，如圖1所示，履帶車輛傳動系統(tǒng)100還可以包括:動力電池組50以及功率分配 單元60。功率分配單元60還可以為履帶車輛的其他用電設(shè)備提供電能。在圖1的各部件間的 連接關(guān)系中，實(shí)線表示機(jī)械功率流，虛線表示電功率流。
[0038] 為滿足兩側(cè)履帶的獨(dú)立精確控制以及使得發(fā)動機(jī)工作在高效工作點(diǎn)同時為電附 件提供功率的需求，系統(tǒng)需要至少三個自由度。根據(jù)行星齒輪機(jī)構(gòu)的自由度公式，自由度d 等于2乘以行星排數(shù)目η減去約束的總數(shù)c，即：
[0039] d = 2n-c (1)
[0040] 由此可知，為滿足三個自由度的條件，對于三排行星齒輪機(jī)構(gòu)，需要具有三個約 束。對于行星結(jié)構(gòu)而言，約束主要有兩類，一種是耦合類約束(split)，即行星齒輪機(jī)構(gòu)的兩 個節(jié)點(diǎn)相互連接，如第一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪輸出軸與第二排行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架 輸出軸相連;一種為制動類約束(ratio)，即行星齒輪機(jī)構(gòu)的一個節(jié)點(diǎn)與制動器相連，保持 靜止。對于三排行星齒輪機(jī)構(gòu)而言，需要至少兩個耦合類約束，以使各排行星齒輪機(jī)構(gòu)間相 互連接，第三個約束則可以采用耦合類或制動類約束。其中，具有三個耦合類約束的三排行 星齒輪機(jī)構(gòu)(3-split)如圖2A所示，具有兩個耦合類約束以及一個制動類約束的三排行星 齒輪機(jī)構(gòu)（2-sp I i t+1 -rat i 〇)如圖2B所示。
[0041]在分析結(jié)構(gòu)配置的種類后，需要對所有的可能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，首先需要對其進(jìn)行 動力學(xué)建模，寫出能夠表征其動力學(xué)特性的矩陣。在此舉一個例子進(jìn)行說明。參考圖3A所示 的三排行星齒輪機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)構(gòu)件連接的一個示例，圖中的eng表示發(fā)動機(jī)，mg表示電機(jī) (mgl、mg2、mg3分別表示第一電機(jī)31、第二電機(jī)32、第三電機(jī)33) ,output表示履帶的輸出軸 (outputl、output2分別表示第一輸出軸41、第二輸出軸42)。忽略行星結(jié)構(gòu)各個節(jié)點(diǎn)自身的 轉(zhuǎn)動慣量，可以寫出其動力學(xué)方程如下：
[0043]其中，!^、!^、!^^義分別為第一~第二~第三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈半徑及太 陽輪半徑，1(3、11、1:、1^、1_2、1_分別為發(fā)動機(jī)、第一輸出軸(左輸出軸）、第二輸出軸(右輸 出軸）、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)的的轉(zhuǎn)動慣量，忽略行星排自身轉(zhuǎn)動慣量，I-T ciut^ Tmjt2、Tmgl、Tmg2、Tmg3分別為發(fā)動機(jī)、第一輸出軸、第二輸出軸、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī) 的力矩，為_、 Λ ^???ρ???. Λ 也?.2、分別為發(fā)動機(jī)、第一輸出軸、第二輸出 軸、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)的角加速度，F(xiàn)l、F2、F3分別為第一、第二、第三排行星齒輪 機(jī)構(gòu)的內(nèi)力。按照上述虛線所示的矩陣劃分方法，可以將上述矩陣寫為如下表達(dá)式：
[0045]其中，J表示虛線左上角的矩陣，提取虛線右上角的矩陣作為第一動力學(xué)特征矩陣 (用D表不），與三排行星齒輪機(jī)構(gòu)相互 對應(yīng)。
[0047]第一動力學(xué)特征矩陣D的列數(shù)等于行星排個數(shù)，D的行數(shù)等于系統(tǒng)構(gòu)件的總數(shù)，如 果系統(tǒng)構(gòu)件與第i排行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈R相連，則D中對應(yīng)位置元素的節(jié)點(diǎn)系數(shù)為_1^，如 果系統(tǒng)構(gòu)件與第i排行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪S相連，則D中對應(yīng)位置元素的節(jié)點(diǎn)系數(shù)為-S1, 如果系統(tǒng)構(gòu)件與第i排行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架C相連，則D中對應(yīng)位置元素的節(jié)點(diǎn)系數(shù)為心+ SnD中其他位置元素全部為0，1 = 1、2、3，分別表示三排行星齒輪機(jī)構(gòu)。依據(jù)上述規(guī)則可以 寫出所有三排三電機(jī)結(jié)構(gòu)的動力學(xué)方程。
[0048]基于上述三排三電機(jī)結(jié)構(gòu)，根據(jù)上述的第一動力學(xué)特征矩陣D，可以計算三排行星 齒輪機(jī)構(gòu)與各系統(tǒng)構(gòu)件連接方式的總數(shù)量。
[0049] 一般情況下，如果區(qū)分三個電機(jī)及兩個輸出的位置，三排行星齒輪機(jī)構(gòu)與各系統(tǒng) 構(gòu)件連接方式的總數(shù)量如下：
[0050] l)3_split類結(jié)構(gòu)
[0054]因此，如果區(qū)分電機(jī)及輸出軸的位置，三排行星齒輪機(jī)構(gòu)與各系統(tǒng)構(gòu)件連接方式 的總數(shù)量為2820600。
[0055] 本發(fā)明采用了不區(qū)分電機(jī)及兩個輸出的位置變換，由于三個電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)相同的 功能，并且左右兩側(cè)的輸出完全對稱，如果兩種結(jié)構(gòu)只是三個電機(jī)或者兩個輸出的位置相 互替換，則該類結(jié)構(gòu)視為同構(gòu)。例如，圖3A和圖3B為同構(gòu)結(jié)構(gòu)。
[0056] 為了去除同構(gòu)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明對三個電機(jī)和兩個輸出的位置不進(jìn)行區(qū)分，極大的縮 減了計算容量，提高了計算效率。去除同構(gòu)后的三排行星齒輪機(jī)構(gòu)與各系統(tǒng)構(gòu)件連接方式 的總數(shù)量如下：
[0061] 故如果不區(qū)分三個電機(jī)和兩個輸出的位置的情況下，結(jié)構(gòu)總共有208656種類，基 礎(chǔ)范圍被大大縮小了一個量級。這也給基于行星傳動的多電機(jī)多輸出設(shè)計方案提供了一個 思路。
[0062] 在上述結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)范圍中，有部分結(jié)構(gòu)不滿足設(shè)計要求，需要進(jìn)行剔除，該過 程稱為物理可行性篩選過程。有以下四種情況需要剔除:三個電機(jī)構(gòu)成同一排行星齒輪機(jī) 構(gòu)；兩個輸出在同一排行星齒輪機(jī)構(gòu)，剩余節(jié)點(diǎn)與發(fā)動機(jī)或制動器相連(兩側(cè)轉(zhuǎn)速相互耦 合，無法實(shí)現(xiàn)多工況獨(dú)立控制）；發(fā)動機(jī)與其中一個輸出在同一排行星齒輪機(jī)構(gòu)中，且剩余 該排行星齒輪機(jī)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)與制動器相連(輸出轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速相互耦合）；不可缺少任意 一個系統(tǒng)構(gòu)件(對應(yīng)D矩陣一行全部為0)。
[0063] 如果從基礎(chǔ)范圍中根據(jù)上述四個不可行條件分別剔除不可行結(jié)構(gòu)，可能會存在許 多重復(fù)的篩選過程，因此本發(fā)明采用正向列舉分類的方式，將三排行星齒輪機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行 分析，如果同一排行星齒輪機(jī)構(gòu)上的三個節(jié)點(diǎn)均與系統(tǒng)構(gòu)件相連，則為功率分流排(power-split); 如果同一排行星齒輪機(jī)構(gòu)上只有兩個節(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)構(gòu)件相連，剩余節(jié)點(diǎn)與制動器連 接，貝1J為功率比例排(power-ratio) 〇
[0064]寫出這兩種單排行星結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)構(gòu)件的可能連接方式，即可以找到所有物理可行 的結(jié)構(gòu)如下表所示：
[0066] 表 1
[0067] 其中，"V"表示相應(yīng)的系統(tǒng)構(gòu)件的數(shù)目。a表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別 連接發(fā)動機(jī)、一個電機(jī)、一個輸出軸，b表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接發(fā)動機(jī)、 兩個電機(jī)，c表不一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接兩個電機(jī)、一個輸出軸，d表不一排 行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接一個電機(jī)、兩個輸出軸，e表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個 節(jié)點(diǎn)分別連接發(fā)動機(jī)、一個電機(jī)、制動器，f表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接一 個電機(jī)、一個輸出軸、制動器。故對于一排行星傳動結(jié)構(gòu)而言，共有五種與系統(tǒng)構(gòu)件的連接 方式，相應(yīng)的可以進(jìn)行組合，這里不需要具體考慮同一排上的三個節(jié)點(diǎn)分別與哪個構(gòu)件連 接，因此只考慮組成不考慮相對位置的情況下，按照上面的兩種基本結(jié)構(gòu)類型，即3-power-split和2-power-split+l-power-ratio的種類，可以分別將可行的組合類型列舉如下：
[0068]
[0069]表 2
[0070]故對于上述的幾十萬種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，只需要分析上述23種大類的結(jié)構(gòu)，即可分析出 所有可能結(jié)構(gòu)的特性，就能夠進(jìn)行選擇適合的結(jié)構(gòu)方案。另外，針對每個大類，如果考慮不 同的布置順序，可能會出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)組合形式，例如針對上述的ABC大類的結(jié)構(gòu)，如果考 慮組合順序，會出現(xiàn)813〇、3〇13、&3〇、13〇3、〇313、(^3的方案，但不考慮對稱布置的方案，如313(3、 cba，故該大類中，共需要考慮的小類(或稱子類)有abC、acb、bac三個小類。因此，abc類包括 &13(：、&〇13和6&〇子類;&6(1類包括&6(1、6&(1、&(113子類;&〇(1類包括&〇(1、〇&(1、3(1〇子類;13〇(1類包括 bed、cbd、bdc子類;aab類包括aab、aba子類;aac類包括aac、aca子類;aad類包括aad、ada子 類;acc類包括acc、cac子類;add類包括add、dad子類;bcc類包括bcc、cbc子類;bdd類包括 bdd、dbd子類;abf類包括abf、baf和af b子類;ace類包括ace、cae和aec子類;acf類包括acf、 caf和afc子類;ade類包括ade、dae和aed子類;adf類包括adf、daf和afd子類;bcf類包括 bcf、bfc和cbf子類;bdf類包括bdf、dbf和bfd子類;cde類包括cde、dce和ced子類;aae類包 括aae、aea子類;aaf類包括aaf、afa子類;cce類包括cce、cec子類。針對每個大類經(jīng)過分析 后，可以得到對3PS的結(jié)構(gòu)，共有27小類。針對2PS-1PR的結(jié)構(gòu)，共有30小類。上述結(jié)構(gòu)均滿足 物理可行性條件。
[0071] 對于ab c小類，則第一排的結(jié)構(gòu)構(gòu)成為發(fā)動機(jī)、電機(jī)、輸出軸分別與三個節(jié)點(diǎn)相連， 第二排的構(gòu)成為發(fā)動機(jī)和兩個電機(jī)與三個節(jié)點(diǎn)相連，第三排的構(gòu)成為兩個電機(jī)和一個輸出 軸與三個節(jié)點(diǎn)相連。abc小類對應(yīng)的三排行星齒輪機(jī)構(gòu)與各系統(tǒng)構(gòu)件連接方式如圖4所示。
[0072] 該示意圖即可寫唯一寫為如下的D矩陣的表達(dá)形式：
[0074]這里不需要具體考慮同一排上的三個節(jié)點(diǎn)分別與哪個構(gòu)件連接，因為D矩陣中a、 b、c對應(yīng)的角標(biāo)1、2、3即分別與由太陽輪、行星架、齒圈中的任意組合一一對應(yīng)，故相當(dāng)于這 一小類的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上有名名4=216種不同的節(jié)點(diǎn)系數(shù)連接方式，根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)連接 方式，將上述的a、b、c分別賦值進(jìn)行計算。
[0075] 這種結(jié)構(gòu)組合式方法，可以很大程度減少工作量，并具有很強(qiáng)的設(shè)計邏輯性，有利 于分析不同類別的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，條理性比較清晰。
[0076] 下面需要針對履帶式車輛的特性進(jìn)行性能可行性的篩選。對于履帶式車輛，根據(jù) 不同的設(shè)計要求，其結(jié)構(gòu)類型需要滿足以下幾項條件中的部分或全部：
[0077] 1.實(shí)現(xiàn)兩側(cè)履帶的精確獨(dú)立控制。
[0078] 2.實(shí)現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向的功能。
[0079] 3.實(shí)現(xiàn)倒退的功能。
[0080] 4.需要滿足不同速度下對應(yīng)的牽引力條件。
[0081] 其中上述的前三條可以通過分析每類結(jié)構(gòu)的第一動力學(xué)特性矩陣D，即可進(jìn)行判 斷，相應(yīng)的推導(dǎo)過程如下。
[0082] 根據(jù)上述的方程，需要建立所有系統(tǒng)構(gòu)件的角加速度與力矩的關(guān)系如下所示：
[0084]為了驗證上述的三條性能，忽略系統(tǒng)構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量大小，根據(jù)公式(3)可以得到 如下的表達(dá)式：
[0085] DF = T (7)
[0086] DrQ = 0 (8)
[0087] 對公式(7 )(8)進(jìn)一步進(jìn)行如下推導(dǎo)：
[0088] F=(DtD)-1DtT (9)
[0092]經(jīng)過了上述的推導(dǎo)過程，可以得到第二動力學(xué)特征矩陣 V]彳為一個6 X 6的矩陣，根據(jù)上式可以得到#矩陣的詳細(xì)結(jié)構(gòu)：
[0094] 相應(yīng)的可以得到滿足上述三個性能的判斷條件，具體如下表所示：
[0095]
[0096] 表 3
[0097] 為滿足雙側(cè)履帶的獨(dú)立控制，則上述的兩個輸出的表達(dá)式中，與發(fā)動機(jī)及三個電 機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式不能完全相同，轉(zhuǎn)化成表達(dá)式即為：
。為保證雙側(cè)履帶驅(qū)動前進(jìn)模式，發(fā)動機(jī)需要 為雙側(cè)提供正向的驅(qū)動功率。根據(jù)上述兩式中的表達(dá)式，兩個輸出的角加速度與發(fā)動機(jī)的 轉(zhuǎn)矩分別通過系數(shù)V21，Ai相關(guān)，為了保證發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩時兩側(cè)履帶處在驅(qū)動狀態(tài)，即角 加速度為正值，可知需滿足條件:A$21>0，A$31>0。
[0098] 對于倒退功能，根據(jù)上述兩式中的表達(dá)式，若需要實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)驅(qū)動兩側(cè)履帶同時 倒退，則當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩為正值時，兩側(cè)履帶的加速度為負(fù)值，即滿足# 21〈0，31〈0。若無需發(fā) 動機(jī)參與倒退，只需要純電倒退功能即可，則三個電機(jī)需驅(qū)動兩側(cè)履帶倒退，則當(dāng)三電機(jī)中 任意一個轉(zhuǎn)矩為正時，兩側(cè)履帶加速度為負(fù)即可，則滿足Α* 24〈0，Α*34〈0或Α*25〈0，Α*35〈0或A* 26 〈0，A*36〈0〇
[0099] 對于中心轉(zhuǎn)向功能，兩側(cè)履帶在同一時刻需滿足角加速度符號相反，即一側(cè)為正， 一側(cè)為負(fù)。則若滿足發(fā)動機(jī)實(shí)現(xiàn)，則當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩為正值時，兩側(cè)履帶加速度符號相反，BP A^ 1 · A$31〈0。同理若發(fā)動機(jī)不滿足上述條件，則三個電機(jī)中需至少有一個電機(jī)轉(zhuǎn)矩為正值 時，兩側(cè)履帶輸出不同符號的角加速度，即Α?\〈0或Ak · A、〈0或· A\〈0。
[0100] 由于履帶式車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮牽引力的需求，所以需要計算在不同的轉(zhuǎn) 速條件下，所能達(dá)到的最大的牽引力并滿足設(shè)計要求。此外，對不同的行駛工況也需要達(dá)到 相應(yīng)的油耗標(biāo)準(zhǔn)。
[0101] 針對最大牽引力的性能篩選中，對應(yīng)一個確定的速度V，即可根據(jù)履帶主動輪半徑 等參數(shù)求出兩個輸出的轉(zhuǎn)速ω mjtputi、Wmjtput2，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速分別從0至Ijmax ω eng定間隔遍 歷，共有k組發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，用ω eng_n表示k組中某一組發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。
[0102] 根據(jù)公式(8)，其中D矩陣與0矩陣可以劃分為發(fā)動機(jī)、輸出與電機(jī)兩組矩陣，并寫 出以下表達(dá)式：
[0104]可以根據(jù)上式得到對應(yīng)不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速ω eng_n下的三個電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω mgl_n、 ω mg3_n、ω mg3_n，根據(jù)電機(jī)自身特性即可確定其轉(zhuǎn)速的最大和最小轉(zhuǎn)速，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)速需 要根據(jù)其自身特性，滿足下述轉(zhuǎn)速約束，若不滿足，則該發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下為不可行。
[0105] ITlin ^ mgl ^ mgl-η^Ξ?Τ1￡ΙΧ O mgl (15)
[0106] min c〇mg2< comg2_n<max c〇mg2 (16)
[0107] min t〇mg3< comg3_n<max t〇mg3 (17)
[0108] 針對可行的電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速求出當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的力矩的上下限，該力矩范圍 根據(jù)電機(jī)和發(fā)動機(jī)的外特征曲線確定，公式表示如下：
[0113] 其中，!^^、!^^、!^^、!^分別表示當(dāng)前車速下第"且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下各個電機(jī)和 發(fā)動機(jī)的力矩，該力矩范圍根據(jù)電機(jī)和發(fā)動機(jī)的外特征曲線確定。
[0114]根據(jù)公式（13)可以得到下式：
[0117] 其中，Tciutl和Tciut2根據(jù)當(dāng)前車速和路面情況(例如摩擦系數(shù))確定。
[0118] 并且 ? ^output _n ~ ^ouiputl_n ~ ^dutputi^n ( 24 )
[0119] 其中，η的取值范圍為1到表示當(dāng)前車速下第η組發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的角加速 度。
[0120] 根據(jù)當(dāng)前車速下第η組發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的角加速度及其最大值（即也_"_"和 max也w)，可以利用下式求得當(dāng)前車速下的最大角加速度max為
[0122] 根據(jù)當(dāng)前車速下的最大角加速度niax ，進(jìn)而求得履帶車輛在當(dāng)前車速下的最 大行駛加速度a及最大牽引力ma，其中m為履帶推土機(jī)的整車質(zhì)量。
[0123] 針對物理可行性篩選和/或性能可行性篩選后的剩余候選直駛結(jié)構(gòu)，假定若剩余X 種結(jié)構(gòu)，分別編號為design_l，design_2，…，design_x，需要根據(jù)履帶式車輛的特定需求工 況，計算其綜合燃油效率是否滿足設(shè)計要求，根據(jù)不同的使用條件和范圍，建立適合該使用 條件的工況。并根據(jù)該工況針對最終剩余的候選結(jié)構(gòu)做動態(tài)規(guī)劃，并求出每種候選結(jié)構(gòu)對 應(yīng)該特定循環(huán)工況下的油耗如61((16 81811_1)"_；1；\161((1681811_1)的值(單位171〇11)，選取油耗 最小的結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)結(jié)構(gòu)，相應(yīng)表達(dá)式為:min[fuel(design_l)，fuel(design_2)，· · .fuel (design_x)]〇
[0124] 在本發(fā)明的描述中，術(shù)語"左"、"右"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的 方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或 元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍 的限制。
[0125] 最后需要指出的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制。本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對 其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換;這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本 發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于行星傳動的履帶車輛傳動系統(tǒng)，其特征在于，包括三排行星齒輪機(jī)構(gòu)以及 六個系統(tǒng)構(gòu)件，所述六個系統(tǒng)構(gòu)件分別為發(fā)動機(jī)、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)以及用于 分別控制左右兩側(cè)履帶的第一輸出軸和第二輸出軸;所述六個系統(tǒng)構(gòu)件分別與三排行星齒 輪機(jī)構(gòu)的九個節(jié)點(diǎn)中的六個節(jié)點(diǎn)連接，所述三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的自由度為三、約束為三，所 述約束中包括至少兩個耦合類約束，以使得各排行星齒輪機(jī)構(gòu)間相互連接。2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述三排行星齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組合為aaa、 aab、aac、aad、acc、add、abc、abd、acd、bcc、bdd、bed、aae、aaf、abf、ace、acf、ade、adf、bcf、 bdf、cce或ede中的任意一類， 其中的a表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接發(fā)動機(jī)、一個電機(jī)、一個輸出軸，b 表不一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接發(fā)動機(jī)、兩個電機(jī)，c表不一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的 三個節(jié)點(diǎn)分別連接兩個電機(jī)、一個輸出軸，d表示一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接一 個電機(jī)、兩個輸出軸，e表不一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接發(fā)動機(jī)、一個電機(jī)、制動 器，f表不一排行星齒輪機(jī)構(gòu)的三個節(jié)點(diǎn)分別連接一個電機(jī)、一個輸出軸、制動器。3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于， abc類包括abc、acb和bac子類;abd類包括abd、bad、adb子類;acd類包括acd、cad、adc子 類;bed類包括bed、cbd、bde子類;aab類包括aab、aba子類;aac類包括aac、aca子類;aad類包 括aad、ada子類;acc類包括acc、cac子類;add類包括add、dad子類;bee類包括bee、ebe子類； bdd類包括bdd、dbd子類； abf類包括abf、baf和afb子類;ace類包括ace、cae和aec子類;acf類包括acf、caf和afe 子類;ade類包括ade、dae和aed子類;adf類包括adf、daf和afd子類;bef類包括bef、bf c和 cbf子類;bdf類包括bdf、dbf和bfd子類;ede類包括 子類;aaf類包括aaf、afa子類;cce類包括cce、cec子類。4. 如權(quán)利要求1-3任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對應(yīng)第一動力學(xué)特征矩陣D，其中，D的列數(shù)等于行星排個數(shù)，D的行數(shù) 等于系統(tǒng)構(gòu)件的總數(shù)，如果系統(tǒng)構(gòu)件與第i排行星齒輪機(jī)構(gòu)的齒圈R相連，則D中對應(yīng)位置元 素的節(jié)點(diǎn)系數(shù)為，如果系統(tǒng)構(gòu)件與第i排行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽輪S相連，則D中對應(yīng)位置 元素的節(jié)點(diǎn)系數(shù)為-Si，如果系統(tǒng)構(gòu)件與第i排行星齒輪機(jī)構(gòu)的行星架C相連，則D中對應(yīng)位 置元素的節(jié)點(diǎn)系數(shù)為Ri+Si，D中其他位置元素全部為0，i = 1、2、3; 所述六個系統(tǒng)構(gòu)件的角加速度與力矩的對應(yīng)關(guān)系如下：其中，_也@、九_、也_2、今》gl、也《2、分別為發(fā)動機(jī)、第一輸出軸、第二輸出 軸、第一電機(jī)、第二電機(jī)、第三電機(jī)的角加速度，第二動力學(xué)特征矩陣 Γ1〕1"]，1'(3、1'。111;1、1'。此2、1'11^1、1'11^2、1'11^3分別為發(fā)動機(jī)、第一輸出軸、第二輸出軸、第一電機(jī)、第二 電機(jī)、第三電機(jī)的力矩。5. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)的第二動力學(xué)特征矩陣#符合以下 條件，以實(shí)現(xiàn)兩側(cè)履帶的獨(dú)立控制，6. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)的第二動力學(xué)特征矩陣#符合以下 條件，以實(shí)現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向功能，7. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)的第二動力學(xué)特征矩陣#符合以下 條件，以實(shí)現(xiàn)倒退功能， A*21 · A*31<0;或A*24 · A*34<0;或A*25 · A*35<0;或Α*26 · A*36<0。8. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述履帶車輛在當(dāng)前車速下的最大牽引力根 據(jù)當(dāng)前速度下的最大角加速度?- 確定，maX也采用如下公式確定：其中，"和max別表示當(dāng)前車速下第η組發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的角加速度及其最 大值，η的取值范圍為1到k，Tcmtl和Tcmt2根據(jù)當(dāng)前車速和路面情況確定，Tmgl_ n、Tmg2_n、Tmg3_n、 Te_n分別表示當(dāng)前車速下第η組發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下各個電機(jī)和發(fā)動機(jī)的力矩，該力矩范圍根據(jù)電 機(jī)和發(fā)動機(jī)的外特征曲線確定。9. 如權(quán)利要求1-3任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)所述履帶車輛傳動系統(tǒng)的候選 結(jié)構(gòu)對應(yīng)確定循環(huán)工況時的不同油耗，選擇使油耗最小的候選結(jié)構(gòu)作為該履帶車輛的結(jié) 構(gòu)。10. -種履帶車輛，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-9中任一項所述的履帶車輛傳動系 統(tǒng)。
【文檔編號】B60K6/365GK105922856SQ201610228508
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】羅禹貢, 秦兆博, 張東好, 李克強(qiáng), 張書瑋, 陳龍, 解來卿, 王建強(qiáng), 李升波, 連小珉, 楊殿閣, 鄭四發(fā)
【申請人】清華大學(xué)