液压混合动力模拟车辆结构设计及特性仿真研究

韩 斌 高公如 陈 晨,2 史伟杰,2

（1.山东常林机械集团股份有限公司，临沂 276700；2.青岛科技大学 机电工程学院，青岛 266061）

液压系统具有远高于机械、电力等其他系统的功率密度。液压蓄能器的功率密度比飞轮和镍氢蓄电池都要大[1-3]，充放能量速度也要快得多。利用液压蓄能器的这一优点，将带有液压蓄能器的能量再生和利用装置配置在车辆上，并将其与发动机动力传动系统相结合，成为液压混合动力车辆。

本文设计一种液压混合动力车辆模拟结构，可充分收集制动的能量，并在一定的工况下释放。在需要频繁刹车和起步的路况下，它可明显降低系统油耗，大大延长了刹车设备的使用寿命，同时可以减少对车辆整体总能量的消耗[4]。这种采用液压混合动力的车辆不但可以在较短时间内实现大功率制动能源的回收和释放，而且它们在成本、可靠度等方面也有着较大的优势。因此，在蓄电池关键技术尚不能解决的今天[5]，液压混合动力车辆具有很好的应用前景[6]。

1 结构设计

根据各种动力系统底盘动力源之间耦合方式和运行传动方式存在的差异，液压混合动力汽车的系统底盘传动结构可以分为串联式液压混合动力、并联式液压混合动力和混联式液压混合动力。其中，并联式液压混合动力系统是在传统系统的基础上加装了一套液压辅助动力系统，可直接在传统底盘上进行改造，改造难度相对较低，成本低廉，最具有应用价值和推广价值。此外，它的系统总效能和质量比串联式的构型更高，结构也较为简单，是一种十分有发展前景的动力构型。因此，本设计采用并联式液压混合动力构型作为模拟车辆的基本构型。

并联式液压混合动力车辆系统共有两个动力源：发动机（电机）为主动力源，负责在大多数工况下给车辆提供驱动力；液压泵/马达作为辅助动力源，在液压系统驱动的工况下提供动力。并联式液压混合动力车辆实现的基本功能是在车辆需要进行制动的情况下用液压系统来制动。此时，车辆的动能被转化为压强能，储存在液压蓄能器内。在车辆要启动的工况下，液压蓄能器充分释放压强能，使得液压泵/马达高速转动，驱动车辆前进。液压混合动力车辆的基本模型如图1所示，能量传递情况如图2所示。本设计中用油箱代替低压蓄能器。

液压混合动力模拟车辆包括基础车架、机械传动系统、电力驱动系统和液压动力系统4部分。其中：基础车架由底盘、轴、轮轴带座轴承和车轮组成；齿轮传动系统由大齿轮、小齿轮、电机配合轴、液压泵配合轴、轴套、齿轮轴、轴承支撑块、轴承支架、轴承以及配合轴带座轴承组成；电力驱动系统由电动机、电机-齿轮电磁离合器和电机-离合器一体支撑架组成；液压动力系统由马达/柱塞泵、轴离合器、液压软管、液压油箱、压力表、先导式溢流阀、油箱支架、板式电磁开关阀、压强传感器、主阀块、液压硬管、卡套式管接头、蓄能器以及小阀块等组成。

车架主体是一个底盘，底盘下方为4个轮轴带座轴承和2个轮轴。4个带座轴承安装在底盘的下方，采用螺栓固定。轮轴两端分别带有一个车轮，其中在一个轮轴上安装有一个小齿轮，用于连接动力系统。齿轮传动系统是连接电力驱动系统和液压动力系统的关键系统，包括4个大齿轮、3个小齿轮、1个电机配合轴、1个液压泵配合轴、1个双大齿轮轴、1个大/小齿轮轴、4个轴承支撑块、2个一体式轴承支架、2个分体式轴承支撑架、4个菱形带座轴承、4个配合轴带座轴承和2个轴套。其中，电机配合轴上安装有一个大齿轮，液压泵配合轴上安装有一个小齿轮，双大齿轮轴安装有两个大齿轮，大小齿轮轴安装有一个大齿轮和一个小齿轮。两个轴套分别连接配合轴与电磁离合器，轴承支撑块和轴承支架均采用螺栓固定于汽车底盘，配合轴带座轴承均采用螺栓固定于轴承支撑块，菱形带座轴承均采用螺栓固定于轴承支架，一体式轴承支架用于安装固定大/小齿轮轴，分体式轴承支架用于安装固定双大齿轮轴。所述的电力驱动系统是汽车的主要动力装置，电机-离合器一体支撑架安装于汽车底盘上采用螺栓固定，电动机与电磁离合器均采用螺栓固定在电机-离合器一体支撑架上。电磁离合器与齿轮传动系统中的电机配合轴采用轴套连接后进行同步转动。所述的液压动力系统是汽车的制动装置和辅助启动装置。泵-离合器一体支架。主阀块、小阀块和油箱支架均安装在汽车底盘上采用螺栓固定，液压泵/马达与电磁离合器均采用螺栓固定在泵-离合器一体支架上，液压油箱用螺栓固定在油箱支架上。压力表、先导式溢流阀、板式电磁开关阀和压强传感器均固定于主阀块。蓄能器安装于小阀块上，小阀块和主阀块采用一根液压硬管和两个卡套式管接头连接。

具体的工作过程为在大多工况下由电机提供动力驱动车辆前进，此时连接电机的离合器工作，连接马达/柱塞泵的离合器断开。动力由电机通过齿轮装置传递到车轴驱动车辆前进。当需要制动时，连接电动机的离合器断开，连接马达/柱塞泵的离合器工作。在车辆制动的同时，转动的车轮通过齿轮传动带动柱塞泵工作，通过液压回路将压强能储存到蓄能器中。

2 动态特性仿真

通过AMESim软件对液压混合动力模拟车辆液压系统进行仿真研究，依据车辆的工作原理搭建车辆的整车底盘系统。为简化分析，将车辆放置在特定的工况下进行仿真，通过观察车辆的各项数据曲线分析车辆的性能，如图3所示。

根据实际情况选择仿真模型以求最大限度地逼近真实，选择排量为2.5 mL·r-1、容积效率为90%、机械效率为90%的液压泵/马达。选择容积为0.63 L的液压蓄能器，设置气体预充压强为0.5 MPa，设定气体多变指数为1.4。设置干式摩擦离合器的摩擦的转矩最大值为20 N·m。设置液压油液的密度为850 kg·m-3，体积弹性模量为1 700 MPa，油液的绝对粘度为51 mPa·s-1，油液的总质量为50 kg。模拟车辆的车轮滚动半径设置为0.1 m，滚动摩擦阻力系数设置为0.015，迎风面积设置为0.445 m2。车辆行驶环境设置空气密度1.205 kg·m-3，环境温度设置为25 ℃。

为简化分析，将车辆置于特定工况下，即0～80 s，车辆处于电机驱动模式；80 s车辆停住，处于液压制动模式；车辆停住，蓄能器压强低于某值，车辆处于液压驱动模式；蓄能器压强低于某值，往后50 s，车辆处于电机驱动模式。

图4为液压混合动力模拟车辆的仿真动态性能。可以看出：在0～80 s内，车辆处于电机驱动模式，70 s左右达到匀速状态；车辆从80 s开始进入液压制动状态，液压二次元件处于泵工况，车辆的动能转化为压强能，储存在蓄能器内，在109 s左右蓄能器压强达到最大，此时车辆停住；然后蓄能器开始向外释放压强能，液压二次元件转化为马达工况，驱动车辆前进；在152 s左右时，蓄能器的压强值到达压强传感器设定的压强值，此时转为电机驱动模式，继续前进。

蓄能器和液压泵的排量是液压混合动力模拟车辆的两个重要参数，因此着重分析这两个参数对车辆动态特性的影响。图5为蓄能器容积对轮胎转速和蓄能器压强的影响。由图5可知：当蓄能器的最低工作压强逐渐提高时，系统的动态响应速度变快，轮胎稳态转速基本不变；当蓄能器的容积增大时，系统的动态响应速度变化不大，蓄能器的最高压强升高。

图6为液压泵排量对系统的影响。可见，随着液压二次元件排量的增大，系统的动态响应速度显著提高，压强变化范围减小，表明大排量有助于提高混合动力模拟车辆液压系统的性能。

综上所述，在满足使用要求的前提下，可通过提高蓄能器的最低工作压强，选用大容积的蓄能器和大排量的液压二次元件，提高液压混合动力模拟车辆的性能。

3 结论

本文设计了一种并联式液压混合动力模拟车辆，可以实现在车辆制动时通过处于泵工况的液压二次元件将动能转化为压强能储存在液压蓄能器中，待启动时又可以通过处于马达工况的液压二次元件将蓄能器中的压强能转化为车辆的动能来驱动其前进，以此达到节能的目的。利用仿真软件AMESim对液压系统在特定工况下进行仿真，通过改变液压泵排量和蓄能器容积等参数分析其对系统性能的影响，结论如下：

（1）液压混合动力模拟车辆方案可行，具有较好的节能效果；

（2）蓄能器的容积增大时，系统的动态响应速度变化不大，蓄能器的最高压强升高；

（3）大排量有助于提高混合动力模拟车辆液压系统的性能。