履带车辆双输入双输出耦合机构拓扑综合研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.187

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (4): 463-473 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.187

机器人与机构设计

履带车辆双输入双输出耦合机构拓扑综合研究

邢庆坤^1,²(

),杨双愿³,秦大同¹,李学良³(

),彭增雄⁴

^1.重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室，重庆 400044
^2.中国北方车辆研究所车辆传动重点实验室，北京 100072
^3.燕山大学特种运载装备河北省重点实验室，河北秦皇岛 066004
^4.北京理工大学车辆传动重点实验室，北京 100081

Topology synthesis research of dual-input-dual-output coupling mechanism for tracked vehicle

Qingkun XING^1,²(

),Shuangyuan YANG³,Datong QIN¹,Xueliang LI³(

),Zengxiong PENG⁴

^1.State Key Laboratory of Mechanical Transmission for Advanced Equipment, Chongqing University, Chongqing 400044, China
^2.Key Laboratory of Vehicle Transmission, China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China
^3.Hebei Key Laboratory of Special Delivery Equipment, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China
^4.Key Laboratory of Vehicle Transmission, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

全文: PDF(3551 KB) HTML

摘要：

为了降低大功率混合动力履带车辆传动系统驱动电机的功率需求，提出了基于转向功率回流特性的双侧电机耦合机构创新设计方法。以两行星排和三行星排构型为研究对象，建立了融合运动学与动力学约束的拓扑图论模型，将履带车辆直驶-转向协同工况下的功率回流特征转化为构型参数的数学判据；通过拓扑综合与参数化分析筛选出6种可行构型，结合转向再生功率传递条件进行多目标性能评估，发现两行星排构型在耦合机构效率和转向再生功率利用率方面表现最优；搭建了履带车辆机电耦合动力学仿真模型，进行了车辆直驶动力性和转向能力测试，结果表明：优选构型可实现偏航角跟踪精度大于94%、纵向速度误差小于2.1%的协同控制。研究结果为高功率密度混合动力履带车辆传动系统的设计提供了新的技术路径。

关键词： 履带车辆; 功率耦合机构; 数学特征; 构型拓扑综合

Abstract:

In order to decrease the power demand of drive motors in the transmission systems of high-power hybrid tracked vehicles, an innovative design method for a bilateral motor coupling mechanism based on the steering power reflux characteristic was proposed. Taking the dual-planet and triple-planet gear configurations as the research objects, a topological graph theoretical model incorporating kinematic and dynamics constraints was established. The power reflux characteristics under the straight-line driving and steering coordinated condition were transformed into the mathematical criteria for configuration parameters. Using topological synthesis and parametric analysis, six viable configurations were selected. Combined with the steering regenerative power transmission conditions, a multi-objective performance evaluation was conducted, and it was found that the dual-planet gear configuration attained the best in terms of coupling mechanism efficiency and steering power regenerative utilization rate. A electromechanical coupling dynamics simulation model for tracked vehicle was established, and tests on the vehicle's straight-line driving power performance and steering capability were conducted. The results showed that the optimal configuration could achieve a coordinated control with a yaw angle tracking accuracy of over 94% and a longitudinal speed error of less than 2.1%. The research results have provided a novel technical approach for the design of high-power-density hybrid tracked vehicle transmission system.

Key words: tracked vehicle power coupling mechanism mathematical features configuration topology synthesis

收稿日期: 2025-01-02 出版日期: 2025-09-01

CLC:

TH 112

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52102429);国家自然科学基金资助项目(52375040);河北省高等学校科学研究青年基金项目(QN2021137)

通讯作者: 李学良 E-mail: xingqingkun@163.com;lixl@ysu.edu.cn

作者简介: 邢庆坤（1983—），男，副研究员，博士，从事车辆传动系统研究，E-mail: xingqingkun@163.com, http://orcid.org/0009-0008-5448-2304

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引用本文:

邢庆坤,杨双愿,秦大同,李学良,彭增雄. 履带车辆双输入双输出耦合机构拓扑综合研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(4): 463-473.

Qingkun XING,Shuangyuan YANG,Datong QIN,Xueliang LI,Zengxiong PENG. Topology synthesis research of dual-input-dual-output coupling mechanism for tracked vehicle[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(4): 463-473.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.04.187 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I4/463

图1 机电复合传动示意图

表1 行星排元件基于拓扑关系的图论表示

图2 两行星排拓扑构型

图3 两行星排拓扑方案

图4 两行星排构型1下的传动方案

图5 两行星排构型2下的传动方案

图6 三行星排拓扑构型

图7 fw=2时三行星排拓扑方案

图8 fw=3时三行星排拓扑方案

图9 fw=2时三行星排连接方式

图10 图9(a)对应的传动方案

图11 图9(d)、图9(e)对应的传动方案

图12 fw=3时三行星排连接方式

表2 履带车辆模型参数

图13 两行星排特征参数对传动性能的影响

图14 三行星排特征参数对传动性能的影响

图15 直线行驶时传动系统的功率流向

图16 中心转向时传动系统的功率流向

图17 单边转向时传动系统的功率流向unilateral steering

图18 电机驱动转向时传动系统的功率流向

图19 履带车辆动力学仿真模型

表3 履带车辆动力学仿真模型参数

图20 直驶循环测试工况下车辆速度

图21 直驶循环测试工况下驱动电机输出扭矩

图22 直驶与转向复合测试工况下车辆偏航角

图23 直驶与转向复合测试工况下车辆纵向速度

图24 直驶与转向复合测试工况下驱动电机输出扭矩

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