履带车辆机电复合传动耦合机构数学特征的研究

韩政达，毛 明，马晓枫，盖江涛

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

现阶段履带车辆机电复合传动典型方案主要有双侧电机方案、横轴式方案、多模式混联式方案，其特点为:

横轴式方案属于串联式，他有2个电机，一个较大的直驶电机提供直驶功率和转向平动功率，一个较小的电机提供转向转动功率，具有很好的直驶稳定性和转向性能，并能实现转向时的机械功率回流.但是横轴的存在使得其体积和布置灵活度受到限制.

双侧电机方案属于串联式，由2个电机分别独立驱动两侧的主动轮.发动机与车辆主动轮柔性连接，在空间布置上比较灵活，但两侧电机间无机械连接，无法实现转向机械功率回流，直驶稳定性对控制系统的要求也较高.

多模式混联式方案是将发动机与2个或多个电机通过行星排三构件有机结合在一起，使电机与发动机均能工作在高效率区间，车辆也能实现较宽范围的无级变速.但发动机与主动轮间有机械连接，空间布置不灵活，而且多模式行星机构只是解决了直驶分路，仍然需要采用单独的换挡机构及转向机构，使体积重量增大，控制也较复杂[1-4].

结合以上分析，如果能找到一种方案既能充分发挥各方案优点，又能避免各方案的缺点，是研究者对新方案的普遍追求.即新方案应兼具如下特点:采用串联式，使发动机与主动轮间无刚性连接，增加空间布置灵活性;挡位尽可能少，减少操纵件数量，降低操纵控制复杂性;直驶功能与转向功能有机耦合，无需单独的转向传动分路;采用2个相同的电机 (左右两侧各一个)，既满足可行性与经济性，又便于控制.

满足上述新方案要求的关键是寻找一个如图1所示的耦合机构，具有双输入双输出且对称的特性，自由度为2.其中，n1，n2为输入转速，T1，T2为输入扭矩，x1，x2为输出转速，M1，M2为输出扭矩.

图1 耦合机构的输入输出

不论耦合机构的内部结构组成如何，根据数学理论，一定存在不为 0 的实数 a1，a2，a3，a4，b1，b2，b3，b4，使输入输出有如下线性关系:

1 耦合机构的对称性

车辆的行驶工况要求耦合机构具有对称性.

对于直驶工况，当x1=x2时，有n1=n2.

代入式 (1)可得:

对于中心转向工况，当 x1=－x2时，有n1=－n2.

代入式 (1)可得:

联立式 (3)与式 (4)，可得:

于是，式 (1)可化简为:

2 耦合机构的扭矩平衡特性

耦合机构在只受到输入轴与输出轴的扭矩作用下稳定运行时，由机构内部各构件的加速度为零可得耦合机构处于静力平衡状态.即输入轴在轴向所受扭矩与输出轴在轴向所受扭矩大小相等.即

将式 (2)代入式 (7)，可得

即

3 耦合机构的功率平衡特性

在不考虑耦合机构内部功率消耗的情况下，机构的输入功率与输出功率大小相等.即

将式 (2)与式 (6)代入式 (10)，可得:

化简可得:

联立式 (9)与式 (12)，可解得:

于是，耦合机构的输入输出扭矩与转速关系可以进一步化简为:

至此，耦合机构的输入输出关系均表示成只与a1有关的表达式，如式 (15)与式 (16).耦合机构实现方案的不同体现在参数a1的不同;任何满足新方案要求的耦合机构必然满足上述条件，这是耦合机构可行的必要条件.

4 结束语

提出了履带车辆机电复合传动新方案应具备的特点，其既能发挥现有各方案的优点，又能避免各方案的缺点.根据耦合机构的3种特性，指出满足新方案要求的耦合机构必备的数学特征，将其输入与输出的关系表示为只与参数a1有关的表达式，从而可用于耦合机构的寻找以及判断其是否可行.

[1] 孙逢春，张承宁.装甲车辆混合动力电传动技术[M].北京:国防工业出版社，2008.

[2] 闫清东，赵连第，赵毓芹，等.坦克构造与设计(下册)[M].北京:北京理工大学出版社，2007.1.

[3] 臧克茂，廖自力，李 华.坦克装甲车辆电传动总体技术的研究 [J].车辆与动力技术，2007，(1):5-11.

[4] 廖自力，马晓军，臧克茂，等.履带装甲车辆电传动方案比较分析 [J].兵工学报，2006，(7):583-586.