大型移动机械电气分流无级变速箱的系统设计分析

马华伟

（山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）

传统的机械变速箱通常采用离散的齿轮和换挡机构来实现不同速比的变速功能。该机械变速方式存在换挡冲击、能量损失和机械传动部件损坏等问题。为了克服传统机械变速箱的局限性，电气分流无级变速箱系统逐渐成为一个研究热点。该系统利用电动机和液压系统的协同工作，通过控制电动机的转速和扭矩分配获得连续、平稳的变速过程，从而实现理想的速度调节和动力输出控制。鉴于这些优势，大型移动机械中的电气分流无级变速箱系统设计成了当今工程技术领域的一个重要课题。通过设计和优化该系统，可以提高机械效率、减少能源消耗、增强系统的可靠性和安全性，并提供更好的驱动性能。因此，对大型移动机械电气分流无级变速箱系统的设计进行研究具有重要的理论和实际意义。

1 电气分流无级变速箱系统设计

1.1 发电机及电动机参数设计

研究人员需要确定移动机械系统的总功率需求（Ptotal）。对机械系统进行详细的功率分析和负载特性研究可以得到该参数。例如根据机器的推进力、运行速度和机械负载等方面的要求来计算所需的额定功率。在选择发电机和电动机之前，需要确定所在地区的电网标准频率和机械系统要求的频率。常见的电网频率为50Hz 或60Hz。此外，根据机械系统的需求选择单相或三相供电方式。

根据所在地区的电压标准和系统的电压要求，选择合适的发电机和电动机的额定电压（Vrated）。通常情况下，电压应与电网标称电压相匹配，但在特殊情况下可能需要使用变压器进行电压适配。基于Ptotal和Vrated，使用公式（1）计算发电机和电动机的额定电流（Irated）。对三相系统来说，需要乘以这个系数。

研究人员需要根据机械系统的特性和工作条件来确定电动机的额定转速（n）和所需转矩（T），通过功率和转速的关系公式计算所需的转矩，如公式（2）所示。

式中：2π 是一个常数，用来把转速从每分钟转换为弧度每秒。

研究人员要选择适当的变频器并确定电缆尺寸。一方面，根据电动机的参数和控制需求选择适合的变频器（频率调节器）来控制电动机的转速，并提供平滑变化的电力负载[1]。变频器的选型应考虑其功率、电压的匹配能力和所需的控制功能。另一方面，根据发电机和电动机的额定电流确定电缆截面积，如公式（3）所示。

式中：A代表所需的电缆截面积；I代表电流值；k代表电缆的传导系数；J代表电缆的载流量。

1.2 车辆牵引力与起动点分析

在大型移动机械的电气分流无级变速箱系统设计中，车辆牵引力与起动点分析是一项至关重要的任务，其目的在于确保车辆能够顺利启动，并在运行过程中满足性能要求。

进行车辆负荷分析是分析牵引力与起动点的第一步。这一步需要考虑车辆自身的质量和额定载荷，还有可能的工作条件下所承受的额外负荷。通过综合评估车辆的负荷情况可以确定起动时所需的最小牵引力。

在起动过程中，车辆需要克服轮胎的滚动阻力。为了计算轮胎阻力，可以采用经验公式或理论模型，并考虑车辆的负荷、轮胎类型以及路面情况等因素。通过计算轮胎阻力可以确定车辆起动时所需的附加牵引力，其计算如公式（4）所示。

式中：Fr代表轮胎阻力；Cr代表轮胎阻力系数；m代表车辆质量；g代表重力加速度。

此外，轮胎抓地力的分析也是关键的一步。在起动过程中，为了确保车辆能够提供足够的牵引力，轮胎需要充分抓住地面。轮胎的抓地力与多种因素有关，例如地面摩擦系数、车轮负载和轮胎类型等。对轮胎抓地力进行分析，可以确定车辆起动时所需的最大牵引力。

基于对牵引力和抓地力的分析结果，对车辆驱动系统进行设计。根据起动时所需的最小和最大牵引力，可以确定电机的额定功率和扭矩输出。此外，还需要选择合适的传动装置和变速箱类型，并设计相应的控制系统[2]。该阶段的设计需要考虑传动装置的效率、可靠性和系统响应性能等方面的要求。

确定起动点时，需要考虑起动点的位置对车辆平衡和稳定性的影响。起动点通常通过数值模拟或试验方法来确定。在模拟过程中，应综合考虑车辆的结构特性、负荷分布以及地面摩擦系数等因素，以寻找最佳起动点位置。其中，传动装置效率的计算如公式（5）所示。

式中：ηtransmission代表传动装置效率；Poutput代表输出功率；Pinput代表输入功率。

确定好起动点后，需要对系统进行验证和调整。通过实际测试和数据采集，能够验证设计的驱动系统是否能够提供足够的牵引力并保持稳定。如果需要进一步优化系统性能，可以通过调整传动装置、控制策略或其他参数来实现。

1.3 传动系统模型设计

1.3.1 确定设计需求

进行传动系统模型设计前需要明确设计的需求，包括确定传递的功率范围，即所需的最小和最大功率输出；确定所需的速度调节范围，即变速器需要能够实现的最小和最大输出速度；确定效率要求，即传动系统需要达到的最低效率水平；确定可靠性要求，包括所需的寿命和可靠性指标等。通过明确设计需求，可以确保设计目标的清晰性和可衡量性。

1.3.2 选择传动方式

根据设计需求和应用场景选择合适的传动方式。常见的传动方式包括齿轮传动、链传动和带传动等。对大型移动机械电气分流无级变速箱系统来说，可能需要考虑多种传动方式的组合，以满足不同部分的需求。选择传动方式时需要考虑功率范围、速度比要求、噪声要求以及可靠性等因素。

1.3.3 绘制传动布置图

通过绘制传动布置图，可以直观地了解传动装置各部分之间的相互关系，包括将主要部件如齿轮、链条和皮带等绘制在图纸上，并确定它们之间的连接方式和传动关系。传动布置图有助于把握整体设计，并为后续的参数计算和模型设计提供基础[3]。

1.3.4 确定传动比

根据设计需求和所选的传动方式确定传动装置各部件的传动比。传动比是指驱动轴和被驱动轴的转速之比。在大型移动机械电气分流无级变速箱系统中，可能需要多级传动才能使速度调节范围更广泛。通过计算和分析，可以确定每个传动级别的传动比，以满足设计需求（详见表1）。

表1 变速箱传动比

1.3.5 选择材料和尺寸

根据所选传动方式、传动比和设计需求，选择适当的材料和尺寸。材料的选择应考虑强度、耐磨性、密封性和制造成本等因素。对于齿轮传动，应选择高强度合金钢或硬质合金作为材料。对于链传动和带传动，可以选择高强度合金钢或热塑性聚合物作为链条或皮带材料。尺寸选择要考虑主要部件的大小、质量和布局，以确保传动系统在有限空间内能有效运行。

1.3.6 传动系统模型设计和分析

使用计算机辅助设计（CAD）软件进行传动系统模型的设计和分析。根据传动布置图和已选择的材料、尺寸等信息绘制传动系统的三维模型，并进行力学性能分析。通过分析受力情况、动态响应等因素，评估传动系统的可靠性和运行效果。

1.3.7 计算传动系统参数

根据设计需求和传动系统模型，进行传动系统参数的计算，包括齿轮的模数、齿数、啮合面角度、链条的张紧力以及皮带的拉力等参数的计算。通过参数计算可以优化传动系统的设计，以满足设计需求并获得良好的性能。

1.3.8 优化设计

根据仿真结果和验证数据，对传动系统进行优化设计。可以根据需求调整传动比、改变材料或尺寸等，以提升传动系统的性能和可靠性。通过反复优化设计，最终得到满足设计要求的传动系统模型。

1.4 动力分流无级变速箱模型设计

进行设计前，研究人员需要明确设计的需求和技术规范，其中包括了解应用场景，确定所需的输出功率范围、扭矩要求和输出转速范围等关键参数。同时，还需要参考相关标准和规范，确保设计符合安全性、可靠性和性能方面的要求。在该基础上，研究人员根据设计需求和机械系统的特性，选择最适合的动力分流无级变速箱类型。常见的类型包括液压变速箱、电动变速箱和混合动力变速箱等。每种类型都有其优点和局限性，因此需要综合考虑各种因素，如功率密度、效率、可靠性和成本等方面，做出明智的选择。例如在计算齿轮传动效率时，引入相关计算公式，如公式（6）所示。

式中：i代表传动比。

研究人员需要根据移动机械的工作原理和要求确定合适的动力分配方案，涉及各个动力源（如发动机、电动机等）与主传动装置之间的连接方式和控制策略。根据设计需求选择适当的分流器、离合器和转速控制系统等关键组件是动力分流无级变速箱系统设计过程中的重要一步。这些组件的选择将直接影响系统的能量分配和转变效果。进行初步设计和计算前，研究人员需要详细研究和分析不同组件的特性和性能。针对分流器的选择，研究人员需要考虑多个因素，包括系统所需的功率范围、扭矩传递能力和变速范围等。通过计算和仿真，研究人员可以评估所选分流器的效率、响应时间和可靠性，以确保其能够满足系统的能量分配要求。离合器的选择也是设计过程中的关键一环。研究人员需要根据系统的工作原理和需求选择适当的离合器类型，如湿式离合器、干式离合器或电子控制式离合器等。还需要考虑系统的响应速度、稳定性和可靠性，并进行计算和仿真来验证所选系统的性能。通过合理的转速控制设计，可以实现无级变速过程中的平稳转变和能量转移，同时提高系统的效率和响应性。在计算齿轮离心力过程中，引入相关计算公式，如公式（7）所示。

式中：Fc代表离心率；m代表质量；ω代表角速度；r代表齿轮的半径。

完成全部设计后，研究人员需要进行动力分流无级变速箱系统的集成和验证，包括制造和装配各个组件、系统连接、控制系统调试和性能测试、负载试验等。通过验证测试结果，评估系统的整体性能，并根据需要对设计进行调整和改进[4]。此外，研究人员还要编写完整的技术文档，包括设计手册、装配图纸和控制逻辑说明书等，便于后续的生产和维护工作。这些文件应清晰明了地记录设计细节和相关参数，为生产工艺和维护提供指导。

在集成和验证阶段，研究人员需要密切合作，确保各个组件按照设计要求进行制造和装配，并仔细检查每个组件的质量和匹配性，确保它们能够正确地连接在一起，形成一个完整的系统。

同时，控制系统的调试也是一个关键任务。研究人员需要对各个控制参数进行仔细调整和校准，以确保系统在不同工况下都能够稳定运行并提供最佳性能。并通过模拟和实际测试来验证控制系统的功能和响应性，以保证其能够准确控制变速箱的工作。

进行性能测试和负载试验是评估系统整体性能不可或缺的环节。研究人员会设置一系列的测试场景，模拟实际使用情况下的不同负载和工况条件，监测并记录系统的输出、温度和噪声等参数，并与设计要求进行对比。通过这些测试，研究人员可以全面评估系统的可靠性、稳定性和效率，为进一步改进和优化提供有力的支持。

2 变速箱模型设计匹配

该文研究中，相关工作人员在进行变速箱模型匹配工作过程中，引入了发电机、电动机初始值（详见表2）。

表2 发电机、电动机计算初值

此外，研究人员通过与厂家进行沟通，明确了发电机与电动机的输入值（详见表3）。

表3 发动机、电动机输入参数

将上述数据代入模型，计算出发电机、电动机的功率为453kW/h，其实际使用功率为450kW/h。

该文研究中，工作人员引入四杠杆分析方法，通过该方法可以得到适用于大型移动机械的4 种双排行星齿轮排构型。在这些构型中，研究人员选择了2 种构型，即RCS214和RCS314，用于设计适用于该机械的复合分配型变速箱模型和简单传动系统。在该系统中，电动机转变为发电机，用于发电。而发电机则起到输出转矩的电动机的作用。该设计的理念非常巧妙，通过将电动机和发电机的功能进行互换，实现了能量的高效利用[5]。当机械需要进行运动时，电动机转变为发电机，将产生的电能存储起来，以供后续使用。而当机械需要输出转矩时，发电机则转变为电动机，将储存的电能转换为动力，驱动机械正常运转。

3 结论

该文讨论了大型移动机械的变速箱，提出了一种电气分流无级变速箱模型。研究的内容主要包括如下方面。第一，对市场上小型乘用车所采用的电气分流无级变速箱进行了调研，并分析了丰田汽车公司在该方面的发展思路和路径。第二，通过分析不同构型动力分流耦合装置的特点，探讨了适用于大型移动机械的功率输入分配型和功率混合分配型的使用情况。第三，通过分析动力传递路径，建立了传动系统模型，并确定了影响各部件转速、转矩和传递功率的参数变量。第四，对关键的发电机/电动机进行了详细分析，指明了影响其性能的参数和计算方法。此外，还详细分析了大型移动机械在起动和运行过程中牵引力、发动机功率和车辆速度之间的关系。

然而，由于研究时间和笔者知识水平的限制、电气分流变速箱的复杂性以及实际工况的多样性，一些方面考虑得不够详细。不过，笔者相信随着电气技术和电动机产品的进一步发展，在可靠性、力矩、功率密度、价格和换挡策略等方面将会有更大的突破。