CN104986035A - 一种双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，利用多自由度行星传动构件综合分析法，对双行星排中基本构件组成的可能功率耦合传动方案分析和优选，得到适应于双侧电机驱动的机电复合传动系统最优的功率耦合驱动方案。本发明基于组成行星排的构件组合理论，能够以系统而严格的方法找出一切可行的功率耦合传动方案；在众多可行的功率耦合传动方案中，能够根据优选原则，逐步淘汰掉不可用的方案，能够以最快的速度选出性能最优的方案；能够方便的较为容易的通过计算机语言实现软件化，并且具有通用性，可延展性的特点。

Description

一种双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法

技术领域

本发明属于机械传动技术领域，具体涉及一种双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法。

背景技术

功率耦合传动装置一直是机电复合传动车辆的核心部件，也是国内外相关研究的重点关注对象，伦克Renk公司于2006年7月推出的电力机械耦合装置，该装置采用了单行星排构成的单模式耦合机构，但其调速范围窄，整车控制策略复杂，技术实现难度大。

国内对混合传动串联、并联、单模式混联形式进行较为全面、深入的对比分析，以及针对由单行星排组成的单模式耦合机构进行分析，并从电机分流功率、传动效率等方面进行方案对比分析，得出适合车辆传动使用的最佳传动方案简图。在多模式耦合机构方案设计方面还没有建立一套完整的理论体系，目前还处于已知具体耦合机构传动简图进行方案的运动学和动力学分析，并在此基础上根据车辆总体性能指标要求，匹配发动机、发电机和电动机的功率需求，往往由于方案本身的限制使得电机需求功率较大，难以满足大功率履带车辆传动系统使用要求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，利用多自由度行星传动构件综合分析法，对双行星排中基本构件组成的可能功率耦合传动方案分析和优选，得到适应于双侧电机驱动的机电复合传动系统最优的功率耦合驱动方案。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定功率耦合传动装置中基本构件的优选原则；

步骤2：根据排列组合法找出基本构件组成的可能功率耦合传动方案；

步骤3：从可能的功率耦合传动方案中找出最优的功率耦合传动方案。

所述步骤1中，双行星排组成的功率耦合传动装置中基本构件数量为4，其中自由度数为2，则构件集J表示为：

J＝{Linput,Rinput,Loutput,Routput}  p＝2

其中，Linput、Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件。

所述步骤1中，基本构件的优选原则包括构件完备性、方案等效性和结构对称性。

构件完备性是指功率耦合传动方案中每个行星排必须包含所有基本构件，构建集J表示为：

J＝P₁∪P₂

其中，P₁表示第1个行星排的3个基本构件组成的集合，P₂表示第2个行星排的3个基本构件组成的集合。

方案等效性是指在4个基本构件组成的6种功率耦合传动方案中，若某个功率耦合传动方案通过同属性构件名称互换与其它功率耦合传动方案相同，则两者互为等效方案，选取其中一个，淘汰另一个功率耦合传动方案，表示为：

其中，W_i表示第i个功率耦合传动方案中基本构件组成的集合，W_j表示第j个功率耦合传动方案中基本构件组成的集合，i,j＝1,2,…，6；Linput和Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件。

结构对称性是指所有可用的功率耦合传动方案通过同属性构件名称互换后仍然是自身结构，表示为：

$\∀W_i|(Linput\↔Rinput)=W_i$

$\∀W_i|(Loutput\↔Routput)=W_i$

其中，W_i表示第i个功率耦合传动方案中基本构件组成的集合，Linput和Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件。

所述同属性构件名称互换是指左侧输入构件与右侧输入构件互换或左侧输出构件与右侧输出构件名称互换。

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：确定所有可行的基本行星排；具体有：

由于双行星排组成的功率耦合传动装置中基本构件数量为4，由此4个基本构件组成的个基本行星排，依次为：{Linput,Loutput,Rinput}，{Linput,Loutput,Routput}，{Linput,Rinput,Routput}，{Loutput,Rinput,Routput}；其中Linput和Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件；

步骤2-2：从4个基本行星排中选取个可能的行星排组，分别表示为：

(1){{Linput,Loutput,Rinput},{Linput,Louput,Routput}}；

(2){{Linput,Loutput,Rinput},{Linput,Rinput,Routput}}；

(3){{Linput,Loutput,Rinput},{Loutput,Rinput,Routput}}；

(4){{Linput,Loutput,Routput},{Linput,Rinput,Routput}}；

(5){{Linput,Loutput,Routput},{Loutput,Rinput,Routput}}；

(6){{Linput,Rinput,Routput},{Loutput,Rinput,Routput}}；

根据优选原则对6个可能的行星排组进行筛选，排除不满足优选原则的行星排组，仅有第(2)行和第(5)行为可行的行星排组；

步骤2-3：进行行星排组中构件的线连接，得到如下6种功率耦合传动方案：

方案1)第一个行星排的框架与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输入构件，第一个行星排的太阳轮为左侧输出构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的框架连接形成右侧输入构件，第二个行星排的太阳轮为右侧输出构件；

方案2)第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输入构件，第一个行星排的框架为左侧输出构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的太阳轮连接形成为右侧输入构件，第二个行星排的框架为右侧输出构件；

方案3)第一个行星排的框架与第二个行星排的太阳轮连接形成左侧输入构件，第一个行星排的齿圈为左侧输出构件，第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的框架连接形成为右侧输入构件，第二个行星排的齿圈为右侧输出构件；

方案4)第一个行星排的齿圈为左侧输入构件，第一个行星排的框架与第二个行星排的太阳轮连接形成左侧输出构件，第二个行星排的齿圈为右侧输入构件，第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的框架连接形成为右侧输出构件；

方案5)第一个行星排的太阳轮为左侧输入构件，第一个行星排的框架与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输出构件，第二个行星排的太阳轮为右侧输入构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的框架连接形成为右侧输出构件；

方案6)第一个行星排的框架为左侧输入构件，第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输出构件，第二个行星排的框架为右侧输入构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的太阳轮连接形成为右侧输出构件；

步骤2-4：在实际机构中输入轴是空心套轴结构，输出轴是实体轴且承受扭矩大，而方案2)和方案6)中输入轴在输出轴内侧，所以排除方案2)和方案6)。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：根据行星传动运动学和动力学关系，分别建立双侧输入轴和输出轴之间转速关系，具体有：

(A)针对于方案1)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1+k_c}{1+2k_c}& \frac{k_c}{1+2k_c}\\ \frac{k_c}{1+2k_c}& \frac{1+k_c}{1+2k_c}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

(B)针对于方案3)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1+k_c}{2+k_c}& \frac{1}{2+k_c}\\ \frac{1}{2+k_c}& \frac{1+k_c}{2+k_c}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

(C)针对于方案4)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1+k_c}{k_c}& -\frac{1}{k_c}\\ -\frac{1}{k_c}& \frac{1+k_c}{k_c}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

(D)针对于方案5)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1+k_c& -k_c\\ -k_c& 1+k_c\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

其中，n_Linput和n_Loutput分别表示左侧输入轴的转速和左侧输出轴的转速，n_Rinput和n_Routput分别表示右侧输入轴的转速和右侧输出轴的转速，k_c表示功率耦合传动装置中行星排的主传动比；

步骤3-2：假定功率耦合传动方案中的左侧和右侧分别为履带车辆行驶高速侧和低速侧，根据履带车辆行驶原理，确定履带车辆行驶高速侧输出轴的转速和转矩以及履带车辆行驶低速侧输出轴的转速和转矩，有：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_a=\frac{600(V+\frac{V}{2\mathrm{\ρ}})i_c}{36\×2\mathrm{\π}r}\\ n_b=\frac{600(V-\frac{V}{2\mathrm{\ρ}})i_c}{36\×2\mathrm{\π}r}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=(-\frac{fmg}{2}-\frac{\mathrm{\μ}mgL}{4B})\×\frac{r}{i_c{\mathrm{\η}}_c}\\ T_b=(-\frac{fmg}{2}+\frac{\mathrm{\μ}mgL}{4B})\×\frac{r}{i_c{\mathrm{\η}}_c}\end{array}\right.$

其中，n_a表示履带车辆行驶高速侧输出轴的转速，n_b表示履带车辆行驶低速侧输出轴的转速，T_a表示履带车辆行驶高速侧输出轴的转矩，T_b表示履带车辆行驶低速侧输出轴的转矩，V表示履带车辆行驶速度，ρ表示相对转速半径，r表示主动轮半径，f表示滚动阻力系数，m表示履带车辆质量，g表示重力加速度，i_c为侧传动比，η_c表示传动效率，L表示履带接地长，B表示履带中心距，μ表示转向阻力系数，且μ_max表示最大转向阻力系数；

步骤3-3：结合履带车辆行驶高速侧输出轴的转速和转矩以及履带车辆行驶低速侧输出轴的转速和转矩，得到履带车辆行驶高速侧输入和输出，以及低速侧输入和输出的需求功率各自随相对转向半径变化规律；

步骤3-4：以履带车辆行驶速度为横坐标，转矩为纵坐标做出方案1)、3)、4)、5)各自的分析图，功率为负时表示电机处于发电状态，根据各自分析图可知仅有方案5)中履带车辆行驶速度为3～10km/h的转向半径范围内履带车辆行驶低速侧电机处于发电状态，方案1)、3)、4)履带车辆行驶速度的转向半径范围内履带车辆行驶低速侧电机处于电动状态，并且方案5)中履带车辆行驶高速侧电机功率需求最小，能够满足双侧电机功率耦合传动要求，因此方案5)为最优的功率耦合传动方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)全面性，基于组成行星排的构件组合理论，能够以系统而严格的方法找出一切可行的功率耦合传动方案；

2)效率性，在众多可行的功率耦合传动方案中，能够根据优选原则，逐步淘汰掉不可用的方案，能够以最快的速度选出性能最优的方案；

3)易于电子化，本发明能够方便的较为容易的通过计算机语言实现软件化，并且具有通用性，可延展性的特点；

4)体系化，以往在确定功率耦合驱动装置时，仅能凭经验逐步完成，没有系统化的标准和评判方案，只能靠人工在坐标纸中逐一连接和筛选，此方法建立系统的分析步骤和原则，并且可以通过计算机辅助完成，方便快捷，且准确；

5)独创性，此方法区别于线图法和图论法，对双行星排中基本构件组成的功率耦合传动方案进行分析，取得了输出构件与输入构件的解析关系式，从而在进行多自由度和多行星排功率耦合驱动方案优选时也可以借鉴此方法去完成。

附图说明

图1是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案1)结构图；

图2是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案2)结构图；

图3是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案3)结构图；

图4是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案4)结构图；

图5是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案5)结构图；

图6是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案6)结构图；

图7是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案1)分析图；

图8是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案3)分析图；

图9是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案4)分析图；

图10是本发明实施例中双行星排组成的功率耦合传动方案5)分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定功率耦合传动装置中基本构件的优选原则；

步骤2：根据排列组合法找出基本构件组成的可能功率耦合传动方案；

步骤3：从可能的功率耦合传动方案中找出最优的功率耦合传动方案。

一般的，根据多自由度行星传动基本理论，耦合机构基本构件数量为n+p，其中，n为耦合机构的自由度数，p为行星排数。因此，可以得出分别由2、3、4行星排组成的耦合机构基本构件组成如下：

$J=\left\{\begin{array}{cc}\{Linput,Rinput,Loutput,Routput\}& p=2\\ \{Linput,Rinput,Loutput,Routput,\mathrm{\α}\}& p=3\\ \{Linput,Rinput,Loutput,Routput,\mathrm{\α},\mathrm{\β}\}& p=4\end{array}\right.$

式中，α和β表示不承受外力矩的辅助构件。

所述步骤1中，双行星排组成的功率耦合传动装置中基本构件数量为4，其中自由度数为2，则构件集J表示为：

J＝{Linput,Rinput,Loutput,Routput}  p＝2

其中，Linput、Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件。

所述步骤1中，基本构件的优选原则包括构件完备性、方案等效性和结构对称性。

构件完备性是指功率耦合传动方案中每个行星排必须包含所有基本构件，构建集J表示为：

J＝P₁∪P₂

其中，P₁表示第1个行星排的3个基本构件组成的集合，P₂表示第2个行星排的3个基本构件组成的集合；所有组成行星排的基本构件都必须在构件集J中，同时构件集J中的所有基本构件必须在行星排中承担一定的角色(太阳轮，齿圈或框架)，具体在程序可以通过选择语句和逻辑关系运算实现。

方案等效性是指在4个基本构件组成的6种功率耦合传动方案中，若某个功率耦合传动方案通过同属性构件名称互换与其它功率耦合传动方案相同，则两者互为等效方案，选取其中一个，淘汰另一个功率耦合传动方案，表示为：

其中，W_i表示第i个功率耦合传动方案中基本构件组成的集合，W_j表示第j个功率耦合传动方案中基本构件组成的集合，i,j＝1,2,…，6；Linput和Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件。之所以有此判别，是因为左侧和右侧的定义是人为的，履带车辆从动力输入端和输出端看，左右两侧也可以互为调换。在优选程序中此步骤通过选择语句和逻辑判断语句实现。

结构对称性是指所有可用的功率耦合传动方案通过同属性构件名称互换后仍然是自身结构，表示为：

$\∀W_i|(Linput\↔Rinput)=W_i$

$\∀W_i|(Loutput\↔Routput)=W_i$

其中，W_i表示第i个功率耦合传动方案中基本构件组成的集合，Linput和Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件。

所述同属性构件名称互换是指左侧输入构件与右侧输入构件互换或左侧输出构件与右侧输出构件名称互换。

所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：确定所有可行的基本行星排；具体有：

由于双行星排组成的功率耦合传动装置中基本构件数量为4，由此4个基本构件组成的个基本行星排，依次为：{Linput,Loutput,Rinput}，{Linput,Loutput,Routput}，{Linput,Rinput,Routput}，{Loutput,Rinput,Routput}；其中Linput和Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件；

步骤2-2：从4个基本行星排中选取个可能的行星排组，分别表示为：

(1){{Linput,Loutput,Rinput},{Linput,Louput,Routput}}；

(2){{Linput,Loutput,Rinput},{Linput,Rinput,Routput}}；

(3){{Linput,Loutput,Rinput},{Loutput,Rinput,Routput}}；

(4){{Linput,Loutput,Routput},{Linput,Rinput,Routput}}；

(5){{Linput,Loutput,Routput},{Loutput,Rinput,Routput}}；

(6){{Linput,Rinput,Routput},{Loutput,Rinput,Routput}}；

根据优选原则对6个可能的行星排组进行筛选，排除不满足优选原则的行星排组，仅有第(2)行和第(5)行为可行的行星排组；

步骤2-3：进行行星排组中构件的线连接，得到如下6种功率耦合传动方案：

方案1)第一个行星排的框架与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输入构件，第一个行星排的太阳轮为左侧输出构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的框架连接形成右侧输入构件，第二个行星排的太阳轮为右侧输出构件，如图1；

方案2)第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输入构件，第一个行星排的框架为左侧输出构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的太阳轮连接形成为右侧输入构件，第二个行星排的框架为右侧输出构件，如图2；

方案3)第一个行星排的框架与第二个行星排的太阳轮连接形成左侧输入构件，第一个行星排的齿圈为左侧输出构件，第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的框架连接形成为右侧输入构件，第二个行星排的齿圈为右侧输出构件，如图3；

方案4)第一个行星排的齿圈为左侧输入构件，第一个行星排的框架与第二个行星排的太阳轮连接形成左侧输出构件，第二个行星排的齿圈为右侧输入构件，第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的框架连接形成为右侧输出构件，如图4；

方案5)第一个行星排的太阳轮为左侧输入构件，第一个行星排的框架与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输出构件，第二个行星排的太阳轮为右侧输入构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的框架连接形成为右侧输出构件，如图5；

方案6)第一个行星排的框架为左侧输入构件，第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输出构件，第二个行星排的框架为右侧输入构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的太阳轮连接形成为右侧输出构件，如图6；

步骤2-4：在实际机构中输入轴是空心套轴结构，输出轴是实体轴且承受扭矩大，而方案2)和方案6)中输入轴在输出轴内侧，所以排除方案2)和方案6)。

进行行星排组中构件的线连接过程中遵循的思路如下：

(1)两个行星排进行构件线连接时不能有交叉点，在具体结构时有交叉点代表构件干涉，无法完成结构布置；

(2)两个行星排的构件线连接时，如果有不同的绕行方式，选择最近的连接路线，在具体的结构中，这代表不需要额外的套轴结构，便于结构的支撑和润滑设置；

(3)两个行星排构件连线时，需满足结构对称性要求，这是因为结构对称性保证了车辆直驶时左右车轮实体结构对称，行驶时左右车轮不会跑偏。

所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：根据行星传动运动学和动力学关系，分别建立双侧输入轴和输出轴之间转速关系，具体有：

(A)针对于方案1)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1+k_c}{1+2k_c}& \frac{k_c}{1+2k_c}\\ \frac{k_c}{1+2k_c}& \frac{1+k_c}{1+2k_c}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

(B)针对于方案3)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{unput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1+k_c}{2+k_c}& \frac{1}{2+k_c}\\ \frac{1}{2+k_c}& \frac{1+k_c}{2+k_c}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

(C)针对于方案4)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1+k_c}{k_c}& -\frac{1}{k_c}\\ -\frac{1}{k_c}& \frac{1+k_c}{k_c}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

(D)针对于方案5)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1+k_c& -k_c\\ -k_c& 1+k_c\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

其中，n_Linput和n_Loutput分别表示左侧输入轴的转速和左侧输出轴的转速，n_Rinput和n_Routput分别表示右侧输入轴的转速和右侧输出轴的转速，k_c表示功率耦合传动装置中行星排的主传动比；

步骤3-2：假定功率耦合传动方案中的左侧和右侧分别为履带车辆行驶高速侧和低速侧，根据履带车辆行驶原理，确定履带车辆行驶高速侧输出轴的转速和转矩以及履带车辆行驶低速侧输出轴的转速和转矩，有：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_a=\frac{600(V+\frac{V}{2\mathrm{\ρ}})i_c}{36\×2\mathrm{\π}r}\\ n_b=\frac{600(V-\frac{V}{2\mathrm{\ρ}})i_c}{36\×2\mathrm{\π}r}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=(-\frac{fmg}{2}-\frac{\mathrm{\μ}mgL}{4B})\×\frac{r}{i_c{\mathrm{\η}}_c}\\ T_b=(-\frac{fmg}{2}+\frac{\mathrm{\μ}mgL}{4B})\×\frac{r}{i_c{\mathrm{\η}}_c}\end{array}\right.$

其中，n_a表示履带车辆行驶高速侧输出轴的转速，n_b表示履带车辆行驶低速侧输出轴的转速，T_a表示履带车辆行驶高速侧输出轴的转矩，T_b表示履带车辆行驶低速侧输出轴的转矩，V表示履带车辆行驶速度，ρ表示相对转速半径，r表示主动轮半径，f表示滚动阻力系数，m表示履带车辆质量，g表示重力加速度，i_c为侧传动比，η_c表示传动效率，L表示履带接地长，B表示履带中心距，μ表示转向阻力系数，且μ_max表示最大转向阻力系数；

步骤3-3：结合履带车辆行驶高速侧输出轴的转速和转矩以及履带车辆行驶低速侧输出轴的转速和转矩，得到履带车辆行驶高速侧输入和输出，以及低速侧输入和输出的需求功率各自随相对转向半径变化规律；

步骤3-4：以履带车辆行驶速度为横坐标，转矩为纵坐标做出方案1)、3)、4)、5)各自的分析图(如图7-图10)，功率为负时表示电机处于发电状态，根据各自分析图可知仅有方案5)中履带车辆行驶速度为3～10km/h的转向半径范围内履带车辆行驶低速侧电机处于发电状态，方案1)、3)、4)履带车辆行驶速度的转向半径范围内履带车辆行驶低速侧电机处于电动状态，并且方案5)中履带车辆行驶高速侧电机功率需求最小，能够满足双侧电机功率耦合传动要求，因此方案5)为最优的功率耦合传动方案。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定功率耦合传动装置中基本构件的优选原则；

步骤2：根据排列组合法找出基本构件组成的可能功率耦合传动方案；

步骤3：从可能的功率耦合传动方案中找出最优的功率耦合传动方案。

2.根据权利要求1所述的双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，其特征在于：所述步骤1中，双行星排组成的功率耦合传动装置中基本构件数量为4，其中自由度数为2，则构件集J表示为：

J＝{Linput,Rinput,Loutput,Routput} p＝2

其中，Linput、Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件。

3.根据权利要求1或2所述的双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，其特征在于：所述步骤1中，基本构件的优选原则包括构件完备性、方案等效性和结构对称性。

4.根据权利要求3所述的双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，其特征在于：构件完备性是指功率耦合传动方案中每个行星排必须包含所有基本构件，构建集J表示为：

J＝P₁∪P₂

其中，P₁表示第1个行星排的3个基本构件组成的集合，P₂表示第2个行星排的3个基本构件组成的集合。

5.根据权利要求3所述的双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，其特征在于：方案等效性是指在4个基本构件组成的6种功率耦合传动方案中，若某个功率耦合传动方案通过同属性构件名称互换与其它功率耦合传动方案相同，则两者互为等效方案，选取其中一个，淘汰另一个功率耦合传动方案，表示为：

其中，W_i表示第i个功率耦合传动方案中基本构件组成的集合，W_j表示第j个功率耦合传动方案中基本构件组成的集合，i,j＝1,2,…，6；Linput和Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件。

6.根据权利要求3所述的双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，其特征在于：结构对称性是指所有可用的功率耦合传动方案通过同属性构件名称互换后仍然是自身结构，表示为：

$\∀W_i|(Linput\↔Rinput)=W_i$

$\∀W_i|(Loutput\↔Routput)=W_i$

$\∀W_i|(Linput\↔Rinput^Loutput\↔Routput)=W_i$

其中，W_i表示第i个功率耦合传动方案中基本构件组成的集合，Linput和Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件。

7.根据权利要求5或6所述的双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，其特征在于：所述同属性构件名称互换是指左侧输入构件与右侧输入构件互换或左侧输出构件与右侧输出构件名称互换。

8.根据权利要求1所述的双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，其特征在于：所述步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1：确定所有可行的基本行星排；具体有：

由于双行星排组成的功率耦合传动装置中基本构件数量为4，由此4个基本构件组成的个基本行星排，依次为：{Linput,Loutput,Rinput}，{Linput,Loutput,Routput}，{Linput,Rinput,Routput}，{Loutput,Rinput,Routput}；其中Linput和Loutput分别表示左侧输入构件和左侧输出构件，Rinput和Routput分别表示右侧输入构件和右侧输出构件；

步骤2-2：从4个基本行星排中选取个可能的行星排组，分别表示为：

(1){{Linput,Loutput,Rinput},{Linput,Louput,Routput}}；

(2){{Linput,Loutput,Rinput},{Linput,Rinput,Routput}}；

(3){{Linput,Loutput,Rinput},{Loutput,Rinput,Routput}}；

(4){{Linput,Loutput,Routput},{Linput,Rinput,Routput}}；

(5){{Linput,Loutput,Routput},{Loutput,Rinput,Routput}}；

(6){{Linput,Rinput,Routput},{Loutput,Rinput,Routput}}；

根据优选原则对6个可能的行星排组进行筛选，排除不满足优选原则的行星排组，仅有第(2)行和第(5)行为可行的行星排组；

步骤2-3：进行行星排组中构件的线连接，得到如下6种功率耦合传动方案：

方案1)第一个行星排的框架与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输入构件，第一个行星排的太阳轮为左侧输出构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的框架连接形成右侧输入构件，第二个行星排的太阳轮为右侧输出构件；

方案2)第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输入构件，第一个行星排的框架为左侧输出构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的太阳轮连接形成为右侧输入构件，第二个行星排的框架为右侧输出构件；

方案3)第一个行星排的框架与第二个行星排的太阳轮连接形成左侧输入构件，第一个行星排的齿圈为左侧输出构件，第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的框架连接形成为右侧输入构件，第二个行星排的齿圈为右侧输出构件；

方案4)第一个行星排的齿圈为左侧输入构件，第一个行星排的框架与第二个行星排的太阳轮连接形成左侧输出构件，第二个行星排的齿圈为右侧输入构件，第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的框架连接形成为右侧输出构件；

方案5)第一个行星排的太阳轮为左侧输入构件，第一个行星排的框架与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输出构件，第二个行星排的太阳轮为右侧输入构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的框架连接形成为右侧输出构件；

方案6)第一个行星排的框架为左侧输入构件，第一个行星排的太阳轮与第二个行星排的齿圈连接形成左侧输出构件，第二个行星排的框架为右侧输入构件，第一个行星排的齿圈与第二个行星排的太阳轮连接形成为右侧输出构件；

步骤2-4：在实际机构中输入轴是空心套轴结构，输出轴是实体轴且承受扭矩大，而方案2)和方案6)中输入轴在输出轴内侧，所以排除方案2)和方案6)。

9.根据权利要求8所述的双电机双行星排功率耦合传动方案优选方法，其特征在于：所述步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1：根据行星传动运动学和动力学关系，分别建立双侧输入轴和输出轴之间转速关系，具体有：

(A)针对于方案1)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1+k_c}{1+2k_c}& \frac{k_c}{1+2k_c}\\ \frac{k_c}{1+2k_c}& \frac{1+k_c}{1+2k_c}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

(B)针对于方案3)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1+k_c}{2+k_c}& \frac{1}{2+k_c}\\ \frac{1}{2+k_c}& \frac{1+k_c}{2+k_c}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

(C)针对于方案4)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1+k_c}{k_c}& -\frac{1}{k_c}\\ -\frac{1}{k_c}& \frac{1+k_c}{k_c}\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

(D)针对于方案5)，双侧输入轴和输出轴之间转速关系表示为：

$\left[\begin{array}{c}{n}_{Linput}\\ n_{Rinput}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1+k_c& -k_c\\ -k_c& 1+k_c\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{n}_{Loutput}\\ n_{Routput}\end{array}\right]$

其中，n_Linput和n_Loutput分别表示左侧输入轴的转速和左侧输出轴的转速，n_Rinput和n_Routput分别表示右侧输入轴的转速和右侧输出轴的转速，k_c表示功率耦合传动装置中行星排的主传动比；

步骤3-2：假定功率耦合传动方案中的左侧和右侧分别为履带车辆行驶高速侧和低速侧，根据履带车辆行驶原理，确定履带车辆行驶高速侧输出轴的转速和转矩以及履带车辆行驶低速侧输出轴的转速和转矩，有：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_a=\frac{600(V+\frac{V}{2\mathrm{\ρ}})i_c}{36\×2\mathrm{\π}r}\\ n_b=\frac{600(V-\frac{V}{2\mathrm{\ρ}})i_c}{36\×2\mathrm{\π}r}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{T}_a=(-\frac{fmg}{2}-\frac{\mathrm{\μ}mgL}{4B})\×\frac{r}{i_c{\mathrm{\η}}_c}\\ T_b=(-\frac{fmg}{2}+\frac{\mathrm{\μ}mgL}{4B})\×\frac{r}{i_c{\mathrm{\η}}_c}\end{array}\right.$

其中，n_a表示履带车辆行驶高速侧输出轴的转速，n_b表示履带车辆行驶低速侧输出轴的转速，T_a表示履带车辆行驶高速侧输出轴的转矩，T_b表示履带车辆行驶低速侧输出轴的转矩，V表示履带车辆行驶速度，ρ表示相对转速半径，r表示主动轮半径，f表示滚动阻力系数，m表示履带车辆质量，g表示重力加速度，i_c为侧传动比，η_c表示传动效率，L表示履带接地长，B表示履带中心距，μ表示转向阻力系数，且μ_max表示最大转向阻力系数；

步骤3-3：结合履带车辆行驶高速侧输出轴的转速和转矩以及履带车辆行驶低速侧输出轴的转速和转矩，得到履带车辆行驶高速侧输入和输出，以及低速侧输入和输出的需求功率各自随相对转向半径变化规律；

步骤3-4：以履带车辆行驶速度为横坐标，转矩为纵坐标做出方案1)、3)、4)、5)各自的分析图，功率为负时表示电机处于发电状态，根据各自分析图可知仅有方案5)中履带车辆行驶速度为3～10km/h的转向半径范围内履带车辆行驶低速侧电机处于发电状态，方案1)、3)、4)履带车辆行驶速度的转向半径范围内履带车辆行驶低速侧电机处于电动状态，并且方案5)中履带车辆行驶高速侧电机功率需求最小，能够满足双侧电机功率耦合传动要求，因此方案5)为最优的功率耦合传动方案。