動力換擋驅(qū)動橋驅(qū)動橋外文翻譯（中文）--對叉車動力換擋驅(qū)動橋性能的分析和評估

1、<p><b>　　中文5670字</b></p><p>　　對叉車動力換擋驅(qū)動橋性能的分析和評估</p><p>　　S. M. PARK1）, T. W. PARK2)*, S. H. LEE1), S. W. HAN3) and S. K. KWON4)</p><p>　　1) 韓國京畿道443 – 749，亞州大學，機械工

2、程學院的研究生;2) 韓國京畿道443 – 749，亞州大學，機械工程系；3) 韓國仁川南洞區(qū)405-817，古棧洞642-4，南洞區(qū)工業(yè)園72BL-5L，佑榮液壓公司;4) 韓國,忠清南道336 - 765,湖西大學工業(yè)學術(shù)</p><p><b>　　合作基礎</b></p><p>　　(2008年7月23日收到； 2009年7月30日修訂)</p>

3、<p>　　摘要—在這項研究中，我們開發(fā)了一種新概念的動力傳輸系統(tǒng)。通過模擬，實現(xiàn)了車輛動力換擋驅(qū)動橋的建模和動態(tài)分析?？紤]到各部分的具體特征，從導出方程得到的數(shù)據(jù)建立了車輛動態(tài)模型。這個模型由一個變矩器、齒輪箱、變速器、輪邊減速器和一個發(fā)動機組成，這個發(fā)動機是動力換擋驅(qū)動橋一檔和倒檔的動力來源。對于每個部分，通過統(tǒng)一的數(shù)學方程，我們得到了一擋前進齒輪的數(shù)學模型。我們用基于數(shù)學模型的MATLAB仿真軟件建立了動態(tài)系統(tǒng)模型。

4、我們用仿真軟件來評估動力換擋驅(qū)動橋的動態(tài)表現(xiàn)實現(xiàn)了模擬。此外，還用發(fā)電機的試驗結(jié)果驗證該模型。最后，成功創(chuàng)建了一個模型。本研究將會用于多擋動力換擋驅(qū)動橋系統(tǒng)的基本概念性設計。</p><p>　　關(guān)鍵詞—動力換擋驅(qū)動橋;叉車;兩個簡單的行星齒輪;類比杠桿</p><p><b>　　術(shù)語表</b></p><p>　　ωs11：第一個太陽輪的輸

5、入速度 Rf：錐齒輪傳動比</p><p>　　ωpc22：第二個從動輪的輸出速度 Ra：輪邊減速器齒輪傳動比倒數(shù)</p><p>　　Ie：發(fā)動機轉(zhuǎn)動慣量 rD：輪胎半徑</p><p><b>　　It：渦輪轉(zhuǎn)動慣量</b></p><

6、p><b>　　Ip：泵轉(zhuǎn)動慣量</b></p><p>　　Is1：第一個太陽輪的轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　Ipc2:第二個從動輪的轉(zhuǎn)動慣量</p><p><b>　　Tt：渦輪轉(zhuǎn)矩 </b></p><p><b>　　TD：驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 </b></p>

7、;<p>　　TS1：第一個太陽輪的輸入轉(zhuǎn)矩 </p><p>　　Tpc2：第二個從動輪的輸出轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　工業(yè)車輛如叉車被用在許多領(lǐng)域，包括重工業(yè)、造船、和制造產(chǎn)業(yè)。最近，油價的提高和嚴格的環(huán)境法規(guī)迫使人們急需一種新型技術(shù)的工業(yè)車輛.當前，在不增加成本，重量和體積的前提下，

8、動力傳動系的性能達到了他的進一步改進的極限。因此，我們急需一種基于新的模式的系統(tǒng)。動力輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要徹底的改變。首先，需要縮減重量和尺寸。另外，排擋的數(shù)量應該增加。我們需要引進各種各樣的附加性能。圖1所示的動力換擋驅(qū)動橋可以滿足這些標準。對叉車來說，結(jié)合了傳遞和驅(qū)動橋功能的新概念的自動變速裝置—動力換擋驅(qū)動橋比現(xiàn)存的自動變速裝置重量減少了30%。因此它表現(xiàn)出很多優(yōu)點，比如節(jié)約燃油和增加燃油經(jīng)濟性。通常車輛上安裝的自動變速器和驅(qū)動橋是

9、由轉(zhuǎn)變發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的變矩器，改變齒輪以適應駕駛狀況的變速器和把動力傳遞到每個車輪的驅(qū)動橋組成。然而，動力換擋驅(qū)動橋安裝在錐齒輪和差速器之間。對叉車來說，這個橋不同于以前的動力傳動系。而且，像安全、舒適、自動制動停車、斜坡上防滑以及事件現(xiàn)場360度旋轉(zhuǎn)這些額外的功能會增加。雖然有這么多功能，但是重量和尺寸還是大大減小了。由于自動變速器和驅(qū)動橋的組成部分都被整合到這個系統(tǒng)的一個部分里，所以我們需</p><p>　　在

10、這項研究中，我們開發(fā)了一種新概念的動力傳遞系統(tǒng)。通過數(shù)字建模，我們對動力換擋驅(qū)動橋的車輛模型和動態(tài)運動進行了分析。考慮到每個部分的具體特征，動力換擋驅(qū)動橋的動態(tài)模型是從導出方程獲得數(shù)據(jù)從而建立起來的。這個模型是由一個發(fā)動機，一個變矩器，</p><p>　　圖1：動力傳輸原理圖</p><p>　　一個變速箱，一個差速器和一個輪邊減速器組成的，這些都是動力換擋驅(qū)動橋的重要組成部分。通過把每

11、個組成部分的數(shù)學方程組合成一個方程，一擋的數(shù)學模型就建立起來了。利用基于數(shù)學模型的一個仿真，一個動態(tài)系統(tǒng)模型就建立起來了。通過利用仿真軟件來分析動力換擋驅(qū)動橋的動態(tài)行為，從而使得這個仿真得以實現(xiàn)。此外，發(fā)電機的試驗結(jié)果用于驗證這個模型的可靠性。</p><p><b>　　系統(tǒng)動態(tài)建模</b></p><p>　　2.1系統(tǒng)動態(tài)建模（數(shù)學模型）</p>

12、<p>　　為了評估車輛的性能，我們建立了一個詳細的動力換擋驅(qū)動橋模型。驅(qū)動軸和輪胎被認為有相同的慣量。在一擋或倒擋的穩(wěn)定狀態(tài)，我們用牛頓和歐拉公式推導出了運動方程。</p><p>　　圖2：第一個齒輪的功率流</p><p>　　圖2展示出了一個自由體圖表(Haj-Fraj and Pfeiffer, 2000; Cho and Hedrick, 1989)。通過每一部分的關(guān)

13、系可以得到角速度方程，通過角速度方程可以得到扭矩方程。如果動力傳遞連接到了前進擋離合器上，通過ECU發(fā)出信號，動力就會通過向前的耦合器傳遞，耦合器又被連到了變速器上。然而，如果發(fā)出反向信號，動力就會通過倒擋動力傳遞線從反向耦合器傳遞到車輪。動力傳遞路線如下（圖3）：倒擋離合器（耦合器）→倒擋驅(qū)動傳遞路線→差速器→驅(qū)動軸→兩個簡單的行星齒輪→車輪。</p><p>　　在第一前進擋上，太陽輪（SI）和齒圈（R）被驅(qū)

14、動。運動方程如下：</p><p>　　圖3：動力換擋驅(qū)動橋原理圖</p><p>　　第一前進擋的不同部分的角速度公式如下：</p><p>　　運動學條件和方程被替換并且?guī)氲搅藙恿Q擋驅(qū)動橋的第一前進擋的運動方程（10）和（11）。如果連接上離合器，這個系統(tǒng)可以被定義為兩個部分：發(fā)動機轉(zhuǎn)動速度相關(guān)部分和驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動速度相關(guān)部分。</p><p

15、>　　汽車的驅(qū)動力描述如下：</p><p><b>　　2.2發(fā)動機模型</b></p><p>　　當模擬車輛動力和燃油經(jīng)濟性能時，用數(shù)值代表發(fā)動機的扭矩和燃油消耗率是很方便的。瞬態(tài)響應中可能包含了一個微小的測量錯誤。在這篇論文中，發(fā)動機的動態(tài)模型可以通過圖4的發(fā)動機外特性曲線來表示發(fā)動機的性能。發(fā)動機的怠速轉(zhuǎn)矩是49N.m,最大轉(zhuǎn)矩是186N.m轉(zhuǎn)速是17

16、00轉(zhuǎn)/每分。方程（14）代表了發(fā)動機的動態(tài)模型。θ代表節(jié)氣門開度（%），ωe</p><p>　　代表發(fā)動機轉(zhuǎn)速?？梢岳脠D5來配置發(fā)動機的模型。</p><p>　　圖4：發(fā)動機扭矩和具體燃油消耗率</p><p><b>　　圖5：發(fā)動機扭矩圖</b></p><p>　　圖6：發(fā)動機子系統(tǒng)和原理圖</p&g

17、t;<p>　　圖5表示了不同節(jié)氣門開度下的發(fā)動機扭矩曲線圖。利用發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩和燃油消耗率的曲線圖，我們可以估算發(fā)動機每分鐘轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度的功能(Haj-Fraj, 2000)。在不知道輸入轉(zhuǎn)矩的那一點，我們可以用三次樣條函數(shù)法插入節(jié)氣門全開的數(shù)據(jù)來得到任意點的輸入轉(zhuǎn)矩（Kim and Yi，1996）。</p><p>　　圖6展示了發(fā)動機的子系統(tǒng)和發(fā)動機的扭矩圖</p><

18、;p>　　2.3扭矩轉(zhuǎn)換器模型</p><p>　　扭矩轉(zhuǎn)換器是一個流體動力學元件。它是由一個提供動力的泵，一個把動力傳遞到變速箱（或者動力傳動驅(qū)動橋，主減速器）的渦輪，和一個通過轉(zhuǎn)動扭矩轉(zhuǎn)換器外殼的單向離合器來擴增扭矩的定子組成。為了柔和平穩(wěn)的加速，扭矩轉(zhuǎn)換器可以利用扭矩放大器在低速時產(chǎn)生很大的扭矩。</p><p>　　當車輛停止時，由于油液的滑動發(fā)動機不會停止。因此，我們需要一

19、個獨立的動力停止裝置。通過油液可以吸收發(fā)動機的扭轉(zhuǎn)振動,它也會吸收因傳輸和負荷變化時發(fā)動機轉(zhuǎn)速突然變化而產(chǎn)生的振動。通過利用性能曲線，我們對扭矩轉(zhuǎn)換器進行了建模。性能曲線是基于車輛穩(wěn)定運行下的數(shù)據(jù)描繪的。利用穩(wěn)定狀態(tài)下的實驗數(shù)據(jù)建模可以代表真實車輛運行的具體數(shù)據(jù)（Kim and Yi,1996）。圖7（a）和（b）分別表示了扭矩轉(zhuǎn)換器的功率和扭矩比。</p><p>　　圖7：變矩器的性能曲線</p>

20、<p>　　扭矩轉(zhuǎn)換器的功率（Kf），速率比（SR）和扭矩比（TR）都是從下面的公式中得出來的。Tf和Tp分別是渦輪和泵的扭矩，ωt和ωp分別是渦輪和泵的角速度。</p><p>　　通過檢查發(fā)動機和和扭矩轉(zhuǎn)換器的規(guī)格來評估車輛的性能，通過發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩我們可以計算輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩。首先，從給出的發(fā)動機節(jié)氣門曲線上選擇一個具體的點。利用這時的扭矩和轉(zhuǎn)速計算變矩器的輸入功率。在變矩器性能圖上，我們

21、可以找到產(chǎn)生相同輸入功率的那一點處的速率比和扭矩比。接下來，分別用扭矩比和速率比乘以所選那點出處的扭矩和轉(zhuǎn)速就會得到輸入扭矩和轉(zhuǎn)速（Park，1994）。利用公式（15），變矩器的仿真模型就出來了。Kf和扭矩比的數(shù)值可以從圖7（a），（b）上得到。圖8表示的是變矩器的子系統(tǒng)。</p><p><b>　　圖8：變矩器子系統(tǒng)</b></p><p><b>　

22、　2.4摩擦因素</b></p><p>　　在動力換擋驅(qū)動橋中，離合器是用來把動力傳遞給行星齒輪，而制動器是用來停止和啟動液壓裝置。驅(qū)動力利用了像離合器這些部件的摩擦因素并且通過行星齒輪得到了最佳的驅(qū)動力。</p><p>　　2.4.1濕式多盤式離合器/制動器</p><p>　　為了確定每個齒輪需要的最大扭矩和變速箱的輸入扭矩，我們需要計算影響每個

23、齒輪的真實摩擦部分的扭矩。公式（16）表示出了離合器的扭轉(zhuǎn)功率。Tc是離合器的最大扭矩，</p><p>　　μ和n分別代表摩擦部分的摩擦系數(shù)和摩擦片的數(shù)量。rop，rip，ro，ri，分別是活塞和摩擦盤的內(nèi)外半徑。PL和Fs分別是離合器的反作用力和回位彈簧的作用力（Lee and Lee，2006）。</p><p>　　2.4.2單向離合器</p><p>　　

24、對一般的驅(qū)動橋來說，錐齒輪和差速器齒輪被組裝成一體。在通用的汽車變速器中，在最后被減速后，動力就從錐齒輪傳到了兩個車輪?？墒?，在動力換擋驅(qū)動橋中，變速箱離合器安裝在了錐齒輪和差速器齒輪之間。動力傳遞在差速器齒輪處被改變了。即使在變速器中所選齒輪的速度改變了動力換擋驅(qū)動橋的轉(zhuǎn)動方向也不會改變。已經(jīng)到達差速器的動力通過單向離合器分配給了其他車輪。</p><p>　　圖9：兩個簡單的行星齒輪</p>&

25、lt;p>　　2.5輪邊減速（兩個簡單的行星齒輪）</p><p>　　在自動變速器上安裝復合行星齒輪，我們要通過把它和離合器以及每個齒輪速比下的制動器連接在一起，以實現(xiàn)對復合行星齒輪輸入和作用力的控制。在每個齒輪速比處所需要的離合器狀態(tài)以及行星齒輪部分的鏈接都是通過一個被稱作離合器結(jié)合的過程被實現(xiàn)的（Park，1994）。如圖9所示，應用動力換擋驅(qū)動橋的新建的叉車有用兩個簡單的行星齒輪所做的輪邊減速器。在

26、分析輪邊減速器時利用了杠桿類比（Lim and Park，1995）。在杠桿類比方法中，太陽輪、齒圈以及行星齒輪組的載體都被作為單獨的節(jié)點，在杠桿上他們都是標準的。</p><p>　　通過輸入的改變，作用力和輸出元素的組合,齒輪比和扭矩可以通過幾何關(guān)系計算出。輸入軸的承載軸（R1）和輸出軸的太陽輪（S2）連接到一起。另外，輸入軸（R1）和輸出軸（R2）共用一個齒圈。在一擋階段，太陽輪被驅(qū)動隨著輸入軸一起工作。然

27、而，安裝在橋殼上的齒圈被限制住了（Yang and Cho，2007）</p><p>　　圖10表示了第一行星齒輪和第二行星齒輪在一擋或倒檔階段的復合過程。</p><p>　　圖10：復合行星齒輪組的組成</p><p>　　表1兩個簡單行星齒輪的齒數(shù)</p><p>　　表1中，太陽輪（第一行星齒輪）被定義為S1；承載軸定義為PC1；齒

28、圈定義為R1。第二行星齒輪的太陽輪被定義為S2；承載軸定義為PC2；齒圈定義為R2。每個點之間的距離與齒輪齒數(shù)成比例。太陽輪的齒數(shù)是Zs齒圈的齒數(shù)是ZR。S和PC之間的距離設置為ZR，PC和R之間的距離設置為Zs。每個點之間的距離轉(zhuǎn)換成標準的杠桿長度（Lim and Park，1995）。</p><p>　　圖11：一檔速度的變扭桿</p><p>　　2.5.1變扭桿類比</p

29、><p>　　圖11表示了在一擋或倒擋階段，桿上的輸入、輸出以及反作用扭矩的情況。Ts11是輸入扭矩，Tpc22是輸出扭矩，TR是反作用扭矩。</p><p>　　公式（17）和（18）表示了y方向的扭矩（Song and Kim，2007）。</p><p>　　2.5.2速度桿類比</p><p>　　圖12：一擋速度的速度桿</p&g

30、t;<p>　　通過對圖12的速度桿進行分析，我們可以定義這兩個簡單的行星齒輪的齒輪速比。公式（19）表示通過兩個簡單的行星齒輪之后右側(cè)方向的速度變成了12.9076</p><p><b>　　系統(tǒng)動態(tài)仿真</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)動態(tài)模型（仿真模型）</p><p>　　在動力換擋驅(qū)動橋模型中，我們需要考慮每個部

31、分（錐齒輪，變速箱，輪邊減速器）的驅(qū)動力和齒輪比。與發(fā)動機驅(qū)動力有關(guān)的公式（10），與驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速有關(guān)的公式（11）和汽車的驅(qū)動力公式(13)以及汽車等效慣性的數(shù)學模型公式（12），都被用來創(chuàng)建圖13的仿真模型。</p><p>　　圖13：動力換擋驅(qū)動橋的仿真模型</p><p><b>　　結(jié)果和思考</b></p><p><b>

32、;　　4.1驗證系統(tǒng)模型</b></p><p>　　為了找到仿真模型的最佳扭矩效率，我們用動力換擋驅(qū)動橋發(fā)電機進行了實驗驗證。圖14和圖15表示了用動力換擋驅(qū)動橋發(fā)電機實驗測得的扭矩和通過仿真模型所得扭矩的對比。基于引擎發(fā)電機的測試結(jié)果，在使用交流電動機的紅色圓點處，扭矩傳到了動力換擋驅(qū)動橋發(fā)電機的傳動軸上。通過平臺負載測試和耐久性實驗測試，可以得到動力換擋驅(qū)動橋的理想扭矩效率值和輸入值。對于耐久性

33、試驗，等效負載條件已經(jīng)被估測并且應用到了駕駛測試中。從運用具體程序進行駕駛測試中得到的扭矩和轉(zhuǎn)速被用到了用動力換擋驅(qū)動橋上并且計算出它的平均值。發(fā)電機平臺輸入是以加速測試的負載情況為基礎的。10000工作小時的</p><p>　　圖14：動力換擋驅(qū)動橋電動機</p><p>　　圖15：系統(tǒng)模型的驗證</p><p>　　等效負荷應用到了車輛駕駛測試中。圖14表示

34、了系統(tǒng)模型在輪末端藍色圓圈點處所測出的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。在這個系統(tǒng)模型中，動力換擋驅(qū)動橋被移開了為的是方便測量渦輪輸入扭矩和車輪輸出轉(zhuǎn)矩。在一擋時，動力換擋驅(qū)動橋的齒輪速比（輸出轉(zhuǎn)矩/輸入轉(zhuǎn)矩）是16.005。這個結(jié)果過乘以不同部分的齒輪比，像錐齒輪（1.24），正車離合器（1）和輪邊減速器（12.9076）。由于對比，假設仿真模型效率為91%,有9%的損失。而且，仿真結(jié)果與扭矩比一致，這個結(jié)果是在發(fā)電機試驗臺上基于車輪一側(cè)的扭矩所得到的

35、。（表2）</p><p>　　表2.動力換擋驅(qū)動橋的測量轉(zhuǎn)矩</p><p>　　4.2系統(tǒng)動態(tài)模型的分析</p><p>　　為了驗證配置的電力輸送系統(tǒng)，實行了第一前進擋的仿真。圖16表示了仿真過程中，渦輪機曲線和節(jié)氣門開度，每個車輪的轉(zhuǎn)矩性能以及驅(qū)動橋和車輪速度的關(guān)系。</p><p><b>　　圖16：節(jié)氣門位置</

36、b></p><p>　　圖17：渦輪和車輪轉(zhuǎn)速</p><p>　　圖18：渦輪和車輪轉(zhuǎn)矩</p><p>　　圖17表示了車輛渦輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化。仿真過程中，一擋驅(qū)動范圍內(nèi)車速會逐漸提高。除此之外，我們發(fā)現(xiàn)15秒之后，隨著踏板位置的變化車速開始降低。圖18證明了轉(zhuǎn)矩的改變。在輸入早期，它隨著踏板的位置（節(jié)氣門開度）而變化。此外，圖18也表示出了16秒后車

37、輪轉(zhuǎn)矩的負值。由于車輪反作用力結(jié)束，這時節(jié)氣門開度被暫時關(guān)閉。基于模擬，在不同的駕駛環(huán)境下，通過表面條件的改變和踏板位置確認系統(tǒng)的動態(tài)運動。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　在這篇文章中，依據(jù)一擋/倒擋主要的動力傳遞建立了數(shù)學模型。此外，基于一個包含動力換擋驅(qū)動橋系統(tǒng)的數(shù)學模型，建立了一個由發(fā)動機、變矩器、變速箱以及差速器和輪邊減速器組成

38、的仿真模型。發(fā)動機和變矩器是用真實的數(shù)據(jù)建立的。通過系統(tǒng)的輸入（踏板位置），所建模型的的結(jié)果驗證了車輪轉(zhuǎn)矩和車輪車速的輸出。安裝有一擋和倒檔的叉車系統(tǒng)模型的動力換擋驅(qū)動的一部分已經(jīng)完成。在多擋驅(qū)動橋發(fā)展過程中，這項研究可以提供基本的數(shù)據(jù)。尤其特別的是，多擋動力換擋驅(qū)動系統(tǒng)是由ECU控制的。為了評估ECU的性能，我們需要建立一個ECU測試平臺。在將來，這項研究中的用于發(fā)展數(shù)學模型的動力換擋驅(qū)動橋可以用于ECU檢測平臺的動態(tài)模型。基于比較分

39、析一個配備了發(fā)動機、變矩器和換擋驅(qū)動橋的真實車輛的測試結(jié)果和配備有前進檔和倒擋的動力換擋驅(qū)動橋模型的測試結(jié)果，將進行調(diào)優(yōu)。而且，數(shù)學建模和第二齒輪的模型構(gòu)造也將會實現(xiàn)。除此之外，在將來杠桿類比將會擴展和應用到多擋系統(tǒng)中。</p><p>　　感謝——這項研究由韓國材料和組件行業(yè)機構(gòu)所資助。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p

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