1.一种机械液压复合传动装置,包括输入轴(1)、分流机构(2)、液压传动组件(3)、机械传动组件(4)、汇流机构(5)和输出轴(6),所述输入轴(1)通过分流机构(2)与相互并联的液压传动组件(3)和机械传动组件(4)连接,所述液压传动组件(3)和机械传动组件(4)通过汇流机构(5)分别与输出轴(6)连接;其特征在于:所述分流机构(2)包括离合器C3(21)、分流机构太阳轮(22)、分流机构行星架(23)、分流机构齿圈(24)和制动器B1(25),所述离合器C3(21)分别连接分流机构太阳轮(22)和分流机构行星架(23),所述制动器B1(25)与分流机构齿圈(24)连接;所述输入轴(1)与分流机构太阳轮(22)连接,所述分流机构(2)通过分流机构齿圈(24)与液压传动组件(3)连接;所述分流机构(2)分别通过分流机构太阳轮(22)和分流机构行星架(23)与机械传动组件(4)连接;
所述汇流机构(5)包括制动器B6(51)、汇流机构齿圈(52)、汇流机构行星架(53)、汇流机构太阳轮(54)和离合器C7(55),所述制动器B6(51)与汇流机构齿圈(52)连接,所述离合器C7(55)分别连接汇流机构行星架(53)和汇流机构太阳轮(54);所述汇流机构(5)通过汇流机构齿圈(52)与液压传动组件(3)连接;所述汇流机构(5)通过汇流机构太阳轮(54)与机械传动组件(4)连接;所述汇流机构(5)分别通过汇流机构行星架(53)和汇流机构太阳轮(54)与输出轴(6)连接;
所述液压传动组件(3)包括液压传动输入离合器C1(31)、液压传动输入齿轮副(32)、单向变量泵(33)、液压管道(34)、单向定量马达(35)、换向齿轮副(36)、液压传动输出齿轮副(37)和液压传动输出离合器C2(38);所述单向变量泵(33)通过液压传动输入齿轮副(32)与分流机构(2)连接,所述液压传动输入齿轮副(32)与单向变量泵(33)之间设有液压传动输入离合器C1(31),所述单向变量泵(33)通过液压油管(34)与单向定量马达(35)连接,所述单向定量马达(35)依次通过液压传动输出齿轮副(37)和换向齿轮副(36)与汇流机构(5)连接,所述单向定量马达(35)与液压传动输出齿轮副(37)之间设有液压传动输出离合器C2(38)。
2.根据权利要求1所述的机械液压复合传动装置,其特征在于:所述机械传动组件(4)包括前排太阳轮(41)、前排行星架(42)、前排齿圈(43)、后排太阳轮(44)、后排行星架(45)、后排齿圈(46)、离合器C4(47)、离合器C5(48)、离合器C6(49)、制动器B2(410)、制动器B3(411)、制动器B4(412)、制动器B5(413)、单向离合器F1(414)、单向离合器F2(415)、单向离合器F3(416);
所述前排太阳轮(41)通过相互并联的离合器C5(48)和离合器C6(49)与分流机构(2)连接,所述离合器C5(48)和离合器C6(49)与前排太阳轮(41)之间分别设有单向离合器F1(414)和单向离合器F2(415),所述单向离合器F1(414)和单向离合器F2(415)动力传导方向相反;
所述前排太阳轮(41)还与制动器B3(411)连接;
所述前排行星架(42)通过离合器C4(47)与分流机构(2)连接,所述前排行星架(42)与离合器C4(47)之间设有制动器B2(410),前排行星架(42)与后排齿圈(46)固连;
所述前排齿圈(43)分别与后排行星架(45)和汇流机构(5)连接;
所述后排太阳轮(44)与相互并联的制动器B4(412)和制动器B5(413)连接,所述后排太阳轮(44)与制动器B5(413)之间设有单向离合器F3(416),所述单向离合器F3(416)的制动方向为后排太阳轮(44)的转向与分流机构行星架(23)转向相反;
所述后排行星架(45)分别与前排齿圈(43)和汇流机构(5)连接;
所述后排齿圈(46)分别与前排行星架(42)和分流机构(2)连接;所述后排齿圈(46)与分流机构(2)之间设有相互并联的制动器B2(410)和离合器C4(47)。
3.根据权利要求2所述的机械液压复合传动装置的控制方法,其特征在于:通过制动器和离合器之间的组合切换实现正向传动下的纯液压传动、机械液压复合传动和纯机械传动,以及反向传动下的纯液压传动、机械液压复合传动和纯机械传动,共两个方向三个类型的传动,正向传动的三个传动类型如下:
正向纯液压传动:制动器B2(410)、液压传动输入离合器C1(31)、液压传动输出离合器C2(38)、离合器C4(47)、离合器C7(55)接合,其他制动器和离合器分离;制动器B2(410)和离合器C4(47)接合,分流机构行星架(23)锁定,分流机构太阳轮(22)与分流机构齿圈(24)转向相反,动力经输入轴(1)、分流机构(2)、液压传动组件(3)、汇流机构(5)至输出轴(6)输出;
所述离合器C7(55)接合,汇流机构(5)的汇流机构行星架(53)和汇流机构太阳轮(54)互锁,汇流机构(5)整体旋转,经过换向齿轮副(36)的作用,输入轴(1)与输出轴(6)转向相同;
正向纯机械传动:制动器B1(25)、制动器B6(51)接合,同时制动器B2(410)、制动器B4(412)、液压传动输入离合器C1(31)、液压传动输出离合器C2(38)、离合器C3(21)、离合器C7(55)分离;动力经输入轴(1)、分流机构(2)、机械传动组件(4)、汇流机构(5)至输出轴(6)输出;所述制动器B1(25)接合,分流机构齿圈(24)锁定,分流机构太阳轮(22)和分流机构行星架(23)作为齿轮传动机构进行传动;所述制动器B6(51)接合,汇流机构齿圈(52)锁定,动力从汇流机构太阳轮(54)经汇流机构行星架(53)至输出轴(6);
正向机械液压复合传动:液压传动输入离合器C1(31)、液压传动输出离合器C2(38)和离合器C7(55)接合,同时制动器B1(25)、制动器B3(411)、制动器B5(413)、制动器B6(51)、离合器C3(21)和单向离合器F3(416)分离;动力经输入轴(1)至分流机构(2),所述分流机构(2)将动力流分别传递至液压传动组件(3)和机械传动组件(4),再经汇流机构(5)汇流后至输出轴(6)输出;所述离合器C3(21)分离,分流机构行星架(23)将输入轴(1)传递的一部分动力传递给机械传动组件(4),分流机构齿圈(24)将输入轴(1)传递的另一部分动力传递给液压传动组件(3);离合器C7(55)接合,机械传动组件(4)的动力经汇流机构太阳轮(54)、汇流机构行星架(53)传递给输出轴(6),液压传动组件(3)的动力经汇流机构齿圈(52)、汇流机构行星架(53)传递给输出轴(6),所述汇流机构行星架(53)的转向在设定排量比范围内与输入轴(1)相同;
反向传动的三个传动类型如下:
反向纯液压传动:液压传动输入离合器C1(31)、液压传动输出离合器C2(38)、离合器C3(21)、离合器C7(55)接合,其他制动器和离合器分离;离合器C3(21)接合,分流机构太阳轮(22)与分流机构行星架(23)互锁,分流机构(2)整体旋转,动力经输入轴(1)、分流机构(2)、液压传动组件(3)、汇流机构(5)至输出轴(6)输出;所述离合器C7(55)接合,汇流机构(5)的汇流机构行星架(53)和汇流机构太阳轮(54)互锁,汇流机构(5)整体旋转,输入轴(1)与输出轴(6)转向相反;
反向纯机械传动:制动器B1(25)、制动器B2(410)、制动器B6(51)、离合器C6(49)和单向离合器F2(415)接合,其他制动器和离合器分离;所述制动器B1(25)接合,分流机构齿圈(24)锁定,动力从分流机构太阳轮(22)经分流机构行星架(23)传递至机械传动组件(4);所述离合器C6(49)和单向离合器F2(415)接合,所述机械传动组件(4)内动力依次经过离合器C6(49)、单向离合器F2(415)、前排太阳轮(41)、前排齿圈(43)传递至汇流机构太阳轮(54);所述制动器B6(51)接合,汇流机构齿圈(52)锁定,动力从汇流机构太阳轮(54)经汇流机构行星架(53)至输出轴(6);
反向机械液压复合传动:液压传动输入离合器C1(31)、液压传动输出离合器C2(38)、离合器C3(21)接合;同时制动器B1(25)、制动器B3(411)、制动器B5(413)、制动器B6(51)、离合器C7(55)和单向离合器F3(416)分离;动力经输入轴(1)至分流机构(2),所述分流机构(2)将动力流分别传递至液压传动组件(3)和机械传动组件(4),再经汇流机构(5)汇流后至输出轴(6)输出;所述离合器C3(21)接合,分流机构行星架(23)将输入轴(1)传递的一部分动力传递给机械传动组件(4),分流机构齿圈(24)将输入轴(1)传递的另一部分动力传递给液压传动组件(3);离合器C7(55)分离,机械传动组件(4)的动力经汇流机构太阳轮(54)、汇流机构行星架(53)传递给输出轴(6),液压传动组件(3)的动力经汇流机构齿圈(52)、汇流机构行星架(53)传递给输出轴(6);所述汇流机构行星架(53)的转向在设定排量比范围内与输入轴(1)相反。
4.根据权利要求3所述的机械液压复合传动装置的控制方法,其特征在于:所述正向纯机械传动包括机械1档、机械2档、机械3档和机械4档,具体实现方法如下:机械1档:制动器B5(413)、单向离合器F3(416)、离合器C6(49)和单向离合器F2(415)接合,同时制动器B3(411)、离合器C4(47)、离合器C5(48)、单向离合器F1(414)分离;动力依次经过离合器C6(49)、单向离合器F2(415)、前排太阳轮(41)至前排行星架(42),在前排行星架(42)处分流分别至前排齿圈(43)和后排齿圈(46),后排齿圈(46)经过后排行星架(45)与前排齿圈(43)汇流后,动力传递至汇流机构(5),所述制动器B5(413)和单向离合器F3(416)接合,后排太阳轮(44)锁止;
机械2档:制动器B5(413)、单向离合器F3(416)和离合器C4(47)接合,同时制动器B3(411)、离合器C5(48)、离合器C6(49)、单向离合器F1(414)和单向离合器F2(415)分离;动力依次经过离合器C4(47)、后排齿圈(46)和后排行星架(45)后,动力传递至汇流机构(5),所述制动器B5(413)和单向离合器F3(416)接合,后排太阳轮(44)锁止;
机械3档:制动器B5(413)、离合器C4(47)、离合器C5(48)、单向离合器F1(414)和单向离合器F3(416)接合,同时制动器B3(411)、离合器C6(49)和单向离合器F2(415)分离;动力依次经过离合器C4(47)、前排行星架(42)、前排齿圈(43)后,动力传递至汇流机构(5);由于离合器C5(48)和单向离合器F1(414)接合,使前排太阳轮(41)不能超速旋转,其转速与前排行星架(42)一致,使前行星排机构整体旋转;
机械4档:制动器B3(411)和离合器C4(47)接合,同时制动器B5(413)、离合器C5(48)、离合器C6(49)、单向离合器F1(414)、单向离合器F2(415)和单向离合器F3(416)分离;动力依次经过离合器C4(47)、前排行星架(42)、前排齿圈(43)后,动力传递至汇流机构(5)。
5.根据权利要求3所述的机械液压复合传动装置的控制方法,其特征在于:所述正向机械液压复合传动包括复合传动1档、复合传动2档、复合传动3档和复合传动4档,具体实现方法如下:正向复合1档:制动器B4(412)、离合器C6(49)和单向离合器F2(415)接合,同时制动器B2(410)、离合器C4(47)、离合器C5(48)和单向离合器F1(414)分离;经过机械传动组件(4)的动力依次经过离合器C6(49)、单向离合器F2(415)、前排太阳轮(41)至前排行星架(42),在前排行星架(42)处分流分别至前排齿圈(43)和后排齿圈(46),后排齿圈(46)经过后排行星架(45)与前排齿圈(43)汇流后,动力传递至汇流机构(5),制动器B4(412)接合,后排太阳轮(44)锁止;
正向复合2档:制动器B4(412)和离合器C4(47)接合,同时制动器B2(410)、离合器C5(48)、离合器C6(49)、单向离合器F1(414)和单向离合器F2(415)分离;经过机械传动组件(4)的动力依次经过离合器C4(47)、后排齿圈(46)和后排行星架(45)后,动力传递至汇流机构(5);
正向复合3档:离合器C4(47)、离合器C5(48)和单向离合器F1(414)接合,同时制动器B2(410)、制动器B4(412)、离合器C6(49)和单向离合器F2(415)分离;经过机械传动组件(4)的动力依次经过离合器C4(47)、前排行星架(42)、前排齿圈(43)后,动力传递至汇流机构(5);
由于离合器C5(48)和单向离合器F1(414)接合,使前排太阳轮(41)不能超速旋转,其转速与前排行星架(42)一致,使前行星排机构整体旋转;
正向复合4档:制动器B2(410)、离合器C6(49)和单向离合器F2(415)接合,同时制动器B4(412)、离合器C4(47)、离合器C5(48)和单向离合器F1(414)分离;经过机械传动组件(4)的动力依次经过离合器C6(49)、单向离合器F2(415)、前排太阳轮(41)和前排齿圈(43)后,动力传递至汇流机构(5)。
6.根据权利要求3所述的机械液压复合传动装置的控制方法,其特征在于:所述反向机械液压复合传动包括复合传动1档、复合传动2档、复合传动3档和复合传动4档,具体实现方法如下:反向复合1档:制动器B4(412)、离合器C6(49)和单向离合器F2(415)接合,同时制动器B2(410)、离合器C4(47)、离合器C5(48)和单向离合器F1(414)分离;经过机械传动组件(4)的动力依次经过离合器C6(49)、单向离合器F2(415)、前排太阳轮(41)至前排行星架(42),在前排行星架(42)处分流分别至前排齿圈(43)和后排齿圈(46),后排齿圈(46)经过后排行星架(45)与前排齿圈(43)汇流后,动力传递至汇流机构(5),制动器B4(412)接合,后排太阳轮(44)锁止;
反向复合2档:制动器B4(412)和离合器C4(47)接合,同时制动器B2(410)、离合器C5(48)、离合器C6(49)、单向离合器F1(414)和单向离合器F2(415)分离;经过机械传动组件(4)的动力依次经过离合器C4(47)、后排齿圈(46)和后排行星架(45)后,动力传递至汇流机构(5);
反向复合3档:离合器C4(47)、离合器C5(48)和单向离合器F1(414)接合,同时制动器B2(410)、制动器B4(412)、离合器C6(49)和单向离合器F2(415)分离;经过机械传动组件(4)的动力依次经过离合器C4(47)、前排行星架(42)、前排齿圈(43)后,动力传递至汇流机构(5);
由于离合器C5(48)和单向离合器F1(414)接合,使前排太阳轮(41)不能超速旋转,其转速与前排行星架(42)一致,使前行星排机构整体旋转;
反向复合4档:制动器B2(410)、离合器C6(49)和单向离合器F2(415)接合,同时制动器B4(412)、离合器C4(47)、离合器C5(48)和单向离合器F1(414)分离;经过机械传动组件(4)的动力依次经过离合器C6(49)、单向离合器F2(415)、前排太阳轮(41)和前排齿圈(43)后,动力传递至汇流机构(5)。
7.根据权利要求5所述的机械液压复合传动装置的控制方法,其特征在于:采用基于时域的车辆预测控制,结合动态规划实现在线滚动优化控制;
在预测区域q内,复合传动车辆预测控制的状态转移方程为:
x(k+1)=μ[x(k),u(k)]
式中,μ为时间离散系统函数;
在预测区域q内,复合传动系统油耗最小的目标函数为:
式中,J1为采用线性预测控制系统的燃油经济性目标函数,vk为第k阶段的阶段指标;
在控制区域p,采用传感装置进行测量;在预测区域q,采用GPS/GIS系统进行预测;
采用非线性预测控制对兼顾各功率段的功率分流和功率汇流的机械液压复合传动系统的状态变量进行控制,对控制变量进行约束,对未来状态进行预估;
此时复合传动系统油耗最小的目标函数为:
式中,J2为采用非线性预测控制系统的燃油经济性目标函数,L为t时刻的瞬时燃油消耗量函数。
8.根据权利要求5和7所述的机械液压复合传动装置的控制方法,其特征在于:人机交互环境下的动态协调控制系统主要由分层控制结构和控制系统结构组成;
分层控制结构包括管理层、协同层和执行层三个层次;管理层依据外部环境信息和响应反馈数据通过加速和制动踏板将车辆所需功率传递到协同层,协同层的核心在于稳态能量管理算法和模式切换动态协调控制算法,前者根据管理层发送的车辆需求功率确定传动系统工作模式,后者对工作模式进行识别,并对目标转速和转矩进行协调;执行层主要将协同层发送出来的控制命令传送到执行部件,使得执行层各部件响应输出功率以满足管理层的要求;
控制系统结构包括操纵机构、控制算法和执行机构;驾驶员结合外部信息和自身意图,通过操纵机构对档位、踏板开度和工作模式进行操作,操作信号与传动系统反馈信号一起作为控制系统的输入;传动系统根据输入信号、发动机转速、车速和负载等,确定车辆运行的目标传动比及扭矩,并基于功率跟随的自适应实时优化控制算法,确定车辆运行的瞬时车速和扭矩;参照传动系统的动力性、经济性和排放性等要求,对基本控制规律进行修正,得出发动机节气门开度、换挡机构接合方式、以及变速器传动比等控制目标,输入执行层控制器对执行机构实施闭环控制。
9.根据权利要求8所述的机械液压复合传动装置的控制方法,其特征在于:所述的主动型能量控制算法,当驾驶员操纵加速踏板时,进入主动型能量控制模式;电控单元计算出油门开度所对应的发动机目标转速,结合瞬时车速得到变速器目标传动比,进行自适应跟踪调节;当踏板开度不再变化时,发动机以此时功率为燃油经济性目标功率,连续改变油门开度使其工作点沿等功率曲线回到燃油经济性曲线上,系统自动调整踏板开度使其与油门开度相对应。
10.根据权利要求8所述的机械液压复合传动装置的控制方法,其特征在于:所述的被动型能量控制算法,当车速变化量和阻力变化量同时符合基于鲁棒界设定的条件时,进入被动型能量控制模式;电控单元自动调节发动机油门开度,根据初始车速和变速器瞬时传动比,计算出发动机瞬时所需转速,发动机自动增大或减小其油门开度进行调节;电控单元计算出油门开度所对应的发动机目标转速,结合瞬时车速得到变速器目标传动比,进行自适应跟踪调节;当踏板开度不再变化时,运行过程与主动型能量控制相似。