液壓混合動力模擬車輛結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)械集團(tuán)股份有限公司，臨沂 276700；2.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，青島 266061）

液壓系統(tǒng)具有遠(yuǎn)高于機(jī)械、電力等其他系統(tǒng)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(yōu)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(fā)動機(jī)動力傳動系統(tǒng)相結(jié)合，成為液壓混合動力車輛。

本文設(shè)計一種液壓混合動力車輛模擬結(jié)構(gòu)，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(tǒng)油耗，大大延長了剎車設(shè)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(nèi)實現(xiàn)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(yōu)勢。因此，在蓄電池關(guān)鍵技術(shù)尚不能解決的今天[5]，液壓混合動力車輛具有很好的應(yīng)用前景[6]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)各種動力系統(tǒng)底盤動力源之間耦合方式和運(yùn)行傳動方式存在的差異，液壓混合動力汽車的系統(tǒng)底盤傳動結(jié)構(gòu)可以分為串聯(lián)式液壓混合動力、并聯(lián)式液壓混合動力和混聯(lián)式液壓混合動力。其中，并聯(lián)式液壓混合動力系統(tǒng)是在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝了一套液壓輔助動力系統(tǒng)，可直接在傳統(tǒng)底盤上進(jìn)行改造，改造難度相對較低，成本低廉，最具有應(yīng)用價值和推廣價值。此外，它的系統(tǒng)總效能和質(zhì)量比串聯(lián)式的構(gòu)型更高，結(jié)構(gòu)也較為簡單，是一種十分有發(fā)展前景的動力構(gòu)型。因此，本設(shè)計采用并聯(lián)式液壓混合動力構(gòu)型作為模擬車輛的基本構(gòu)型。

并聯(lián)式液壓混合動力車輛系統(tǒng)共有兩個動力源：發(fā)動機(jī)（電機(jī)）為主動力源，負(fù)責(zé)在大多數(shù)工況下給車輛提供驅(qū)動力；液壓泵/馬達(dá)作為輔助動力源，在液壓系統(tǒng)驅(qū)動的工況下提供動力。并聯(lián)式液壓混合動力車輛實現(xiàn)的基本功能是在車輛需要進(jìn)行制動的情況下用液壓系統(tǒng)來制動。此時，車輛的動能被轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)能，儲存在液壓蓄能器內(nèi)。在車輛要啟動的工況下，液壓蓄能器充分釋放壓強(qiáng)能，使得液壓泵/馬達(dá)高速轉(zhuǎn)動，驅(qū)動車輛前進(jìn)。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(shè)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(chǔ)車架、機(jī)械傳動系統(tǒng)、電力驅(qū)動系統(tǒng)和液壓動力系統(tǒng)4部分。其中：基礎(chǔ)車架由底盤、軸、輪軸帶座軸承和車輪組成；齒輪傳動系統(tǒng)由大齒輪、小齒輪、電機(jī)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(qū)動系統(tǒng)由電動機(jī)、電機(jī)-齒輪電磁離合器和電機(jī)-離合器一體支撐架組成；液壓動力系統(tǒng)由馬達(dá)/柱塞泵、軸離合器、液壓軟管、液壓油箱、壓力表、先導(dǎo)式溢流閥、油箱支架、板式電磁開關(guān)閥、壓強(qiáng)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(tǒng)。齒輪傳動系統(tǒng)是連接電力驅(qū)動系統(tǒng)和液壓動力系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，包括4個大齒輪、3個小齒輪、1個電機(jī)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(jī)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(qū)動系統(tǒng)是汽車的主要動力裝置，電機(jī)-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(jī)與電磁離合器均采用螺栓固定在電機(jī)-離合器一體支撐架上。電磁離合器與齒輪傳動系統(tǒng)中的電機(jī)配合軸采用軸套連接后進(jìn)行同步轉(zhuǎn)動。所述的液壓動力系統(tǒng)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(dá)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(dǎo)式溢流閥、板式電磁開關(guān)閥和壓強(qiáng)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(jī)提供動力驅(qū)動車輛前進(jìn)，此時連接電機(jī)的離合器工作，連接馬達(dá)/柱塞泵的離合器斷開。動力由電機(jī)通過齒輪裝置傳遞到車軸驅(qū)動車輛前進(jìn)。當(dāng)需要制動時，連接電動機(jī)的離合器斷開，連接馬達(dá)/柱塞泵的離合器工作。在車輛制動的同時，轉(zhuǎn)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(qiáng)能儲存到蓄能器中。

2 動態(tài)特性仿真

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

根據(jù)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(jī)械效率為90%的液壓泵/馬達(dá)。選擇容積為0.63 L的液壓蓄能器，設(shè)置氣體預(yù)充壓強(qiáng)為0.5 MPa，設(shè)定氣體多變指數(shù)為1.4。設(shè)置干式摩擦離合器的摩擦的轉(zhuǎn)矩最大值為20 N·m。設(shè)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(zhì)量為50 kg。模擬車輛的車輪滾動半徑設(shè)置為0.1 m，滾動摩擦阻力系數(shù)設(shè)置為0.015，迎風(fēng)面積設(shè)置為0.445 m2。車輛行駛環(huán)境設(shè)置空氣密度1.205 kg·m-3，環(huán)境溫度設(shè)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(jī)驅(qū)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(qiáng)低于某值，車輛處于液壓驅(qū)動模式；蓄能器壓強(qiáng)低于某值，往后50 s，車輛處于電機(jī)驅(qū)動模式。

圖4為液壓混合動力模擬車輛的仿真動態(tài)性能?？梢钥闯觯涸?～80 s內(nèi)，車輛處于電機(jī)驅(qū)動模式，70 s左右達(dá)到勻速狀態(tài)；車輛從80 s開始進(jìn)入液壓制動狀態(tài)，液壓二次元件處于泵工況，車輛的動能轉(zhuǎn)化為壓強(qiáng)能，儲存在蓄能器內(nèi)，在109 s左右蓄能器壓強(qiáng)達(dá)到最大，此時車輛停??；然后蓄能器開始向外釋放壓強(qiáng)能，液壓二次元件轉(zhuǎn)化為馬達(dá)工況，驅(qū)動車輛前進(jìn)；在152 s左右時，蓄能器的壓強(qiáng)值到達(dá)壓強(qiáng)傳感器設(shè)定的壓強(qiáng)值，此時轉(zhuǎn)為電機(jī)驅(qū)動模式，繼續(xù)前進(jìn)。

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(shù)，因此著重分析這兩個參數(shù)對車輛動態(tài)特性的影響。圖5為蓄能器容積對輪胎轉(zhuǎn)速和蓄能器壓強(qiáng)的影響。由圖5可知：當(dāng)蓄能器的最低工作壓強(qiáng)逐漸提高時，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度變快，輪胎穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速基本不變；當(dāng)蓄能器的容積增大時，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度變化不大，蓄能器的最高壓強(qiáng)升高。

圖6為液壓泵排量對系統(tǒng)的影響?？梢?，隨著液壓二次元件排量的增大，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度顯著提高，壓強(qiáng)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(tǒng)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(qiáng)，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(jié)論

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

（1）液壓混合動力模擬車輛方案可行，具有較好的節(jié)能效果；

（2）蓄能器的容積增大時，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度變化不大，蓄能器的最高壓強(qiáng)升高；

（3）大排量有助于提高混合動力模擬車輛液壓系統(tǒng)的性能。