第 1 章 緒論
1.1 課題研究背景和意義
隨著世界經濟的發展，人類生活水平日益提高，但是人類對於能源的需求也是逐步增加。2017 年，中國占全球能源消費量的 23.2%和全球能源消費增長的33.6%。這已經是我國連續 17 年穩居全球能源增長榜首。然而世界石油燃料資源已經日益枯竭[1]。如圖 1.1 所示，2017 年全球各類能源的消費量都有明顯增長的趨勢，其中石油消耗量從 1992 年的 3800 百萬噸油當量左右穩步上升到了 2017年的 4800 百萬噸油當量左右，增幅約為 26.3%。
.........................
1.2 液壓混合動力技術及特點
目前，混合動力技術主要有電動混合和液壓混合兩大類[5]。電動混合是指燃油發動機與電能的混合[6]，液壓混合是指採用蓄能器作為動力源，電液二次調節系統作為傳動方式的混合動力技術。液壓混合動力具有以下優點[7]：
1. 功率密度大。液壓蓄能器作為動力源，其儲能方式屬於勢能儲能方式[8]，功率密度大，短時間內能夠吸收可觀的能量。對於重型車輛來說，應用液壓混合動力技術，制動能量回收效果更明顯，並且也能提供給車輛更多的驅動力[9]。
2. 使用成本低。液壓元件技術成熟，已經在工業領域應用很多年，因此對某一個元件可以有多種替代性選擇，使用成本低[10]。
3. 使用液壓油作為傳動介質，能夠保證液壓系統內部各個部件的正常潤滑，因此可以在一定程度延長液壓元件的使用壽命[11]。
4. 在輸出轉矩相同的情況下液壓泵/馬達比電機的結構緊湊，質量輕，安裝空間小[12]。
5. 液壓混合動力車輛有更好的燃油經濟性。如圖 1.3 所示，英國 Ricardo Automotive 公司對液壓混合動力汽車和電動混合動力汽車在同等條件，不同行駛工況下的測試表明，液壓混合動力汽車的平均節油率明顯高於電動混合動力車輛。
.........................
第 2 章 並聯液壓混合動力車輛選型與制動系統
2.1 液壓混合動力系統構型的分析與選擇
本課題基於校企合作項目“起重機混合動力系統開發”，混聯式構型的研究應用周期長，輪邊式構型適用範圍局限性比較大[39]，所以這兩種混合動力系統就不在考慮範圍之內，主要從串聯式和並聯式兩種構型中選擇。
混合動力車輛的節能減排是重要的考慮因素。從表 2.1 串、並聯混合動力系統對比表中可以看出，對於並聯式混合動力車輛，雖然由於結構上導致發動機與車速耦合，難以實現無級變速，車輛的行駛平順性不如串聯式好[40]。但是在混合動力系統的兩個動力單元聯合驅動的情況中，發動機的輸出扭矩可以根據工況調整，保證其始終工作在高效區間。而調整的轉矩部分由液壓泵/馬達來補充，這樣在一定程度上降低了發動機的功率，並且提高了燃油經濟性，相比於串聯式，能夠更好的實現節能減排效果。除此之外，並聯式混合動力系統在動力總成、傳動效率、整車成本、整車布置等方面都占據優勢，並且還可以基於原有起重機車型改造，改造成本低，改造後的車輛可靠性高。所以本次起重機選用並聯式混合動力系統。
............................
2.2 前置式並聯與後置式並聯構型分析與選擇
根據並聯式車輛傳動機械結構的不同，可以將並聯式劃分為單軸並聯和雙軸並聯兩種結構。單軸並聯是指液壓泵/馬達的主軸與車輛的傳動軸一體，此類結構車輛的液壓泵/馬達需要單獨進行開發，結構較為緊湊，其通過閥卸荷或者液壓泵/馬達的排量歸零來使液壓系統不參與車輛工作。
雙軸式並聯則是發動機與液壓泵/馬達通過耦合器相連並且可以獨立的為車輛提供動力，這樣車輛可以根據工況採用合適的控制策略使液壓泵/馬達工作在高效區間，並且能夠制定系統中各元件優化效率的組合和切換規則，從而更好的優化車輛的能量管理策略和燃油經濟性能，因此更適合應用於工程機械[41]。所以選取雙軸並聯結構作為起重機的混合動力構型。
2.2.1 前置式雙軸並聯結構
如圖 2.1 所示，對於前置式雙軸並聯混合動力系統，液壓泵/馬達處於發動機和變速器的中間位置，發動機與液壓泵/馬達各自輸出的扭矩在轉矩耦合器合成後，經過變速箱傳遞到驅動輪。
.............................
第 3 章 前置式液壓混合動力車輛制動轉矩控制理論模型 ............. 23
3.1 前置式液壓混合動力車輛制動關鍵元件的數學模型 .............. 23
3.1.1 液壓泵/馬達建模………......... 27
3.1.2 液壓蓄能器建模…………..................... 27
第 4 章 前置式液壓混合動力車輛制動轉矩控制的仿真研究 ......... 41
4.1 前置式液壓混合動力車輛仿真模型原理 .................................. 41
4.2 前置式液壓混合動力車輛仿真模型的建立 .............................. 42
第 5 章 前置式液壓混合動力車輛實驗研究 ..................................... 51
5.1 實驗設計……………...... 52
5.1.1 前置式液壓混合動力實驗樣車關鍵元件及型號 ............... 52
5.1.2 前置式液壓混合動力車輛結構與液壓系統部分原理圖 ... 52
第 5 章 前置式液壓混合動力車輛實驗研究
5.1 實驗設計
5.1.1 前置式液壓混合動力實驗樣車關鍵元件及型號
實驗樣車是基於某型號國產起重機改裝而來。為了能夠有足夠的空間布置前置式液壓混合動力車輛液壓系統的各個元件，起重機的上機部分原工作裝置由等重的配重來代替。實驗樣車的關鍵元件及型號如表 5.1 所示：
.............................
第 6 章 總結與展望
隨著能源的消耗和空氣污染的加劇，節能減排成為越來越重要的研究方向。本文對前置式液壓混合動力系統構型的制動系統以及存在的制動安全問題進行了相關的分析與解決，並且對節能減排效果進行了研究。研究主要工作如下：
（1）對比現有的液壓混合動力構型，結合起重機自身的工作特點和環境，選取前置式作為起重機的混合動力構型。在構型選取的基礎上，將混合動力起重機的常見工況劃分為輔助啟動模式、勻速行駛模式、輔助爬坡模式、制動回收模式，並且對前置式液壓混合動力車輛的氣壓制動系統與液壓輔助制動系統的結構與制動原理做了分析。
（2）針對前置式液壓混合動力車輛的液壓系統提供的輔助制動力矩隨變速箱檔位變化問題進行了解決。把制動轉矩控制的關鍵分為兩部分，一部分為液壓泵/馬達的排量控制，一部分為手動變速箱的檔位識別。首先通過對液壓泵/馬達排量控制的相關元件進行數學建模，建立與問題相關的排量控制理論模型，接著在車輛前後輪制動轉矩分配的基礎上，根據不同的制動強度制定了混合動力車輛的制動策略。由於起重機所用的變速箱為手動變速箱，並且沒有配置檔位傳感器，需要進行變速箱檔位識別，通過測量變速箱輸入軸和輸出軸的轉速進行了解決。最終在上述工作的基礎上，得到前置式液壓混合動力車輛不同制動工況下對應的轉矩控制理論表達式。
（3）利用 AMESim 軟體建立前置式並聯混合動力車輛制動轉矩控制模型，並且結合車輛的制動策略對前置式液壓混合動力車輛的制動轉矩控制以及相關的制動性能進行了仿真分析。
參考文獻（略）
1.1 課題研究背景和意義
隨著世界經濟的發展，人類生活水平日益提高，但是人類對於能源的需求也是逐步增加。2017 年，中國占全球能源消費量的 23.2%和全球能源消費增長的33.6%。這已經是我國連續 17 年穩居全球能源增長榜首。然而世界石油燃料資源已經日益枯竭[1]。如圖 1.1 所示，2017 年全球各類能源的消費量都有明顯增長的趨勢，其中石油消耗量從 1992 年的 3800 百萬噸油當量左右穩步上升到了 2017年的 4800 百萬噸油當量左右，增幅約為 26.3%。
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1.2 液壓混合動力技術及特點
目前，混合動力技術主要有電動混合和液壓混合兩大類[5]。電動混合是指燃油發動機與電能的混合[6]，液壓混合是指採用蓄能器作為動力源，電液二次調節系統作為傳動方式的混合動力技術。液壓混合動力具有以下優點[7]：
1. 功率密度大。液壓蓄能器作為動力源，其儲能方式屬於勢能儲能方式[8]，功率密度大，短時間內能夠吸收可觀的能量。對於重型車輛來說，應用液壓混合動力技術，制動能量回收效果更明顯，並且也能提供給車輛更多的驅動力[9]。
2. 使用成本低。液壓元件技術成熟，已經在工業領域應用很多年，因此對某一個元件可以有多種替代性選擇，使用成本低[10]。
3. 使用液壓油作為傳動介質，能夠保證液壓系統內部各個部件的正常潤滑，因此可以在一定程度延長液壓元件的使用壽命[11]。
4. 在輸出轉矩相同的情況下液壓泵/馬達比電機的結構緊湊，質量輕，安裝空間小[12]。
5. 液壓混合動力車輛有更好的燃油經濟性。如圖 1.3 所示，英國 Ricardo Automotive 公司對液壓混合動力汽車和電動混合動力汽車在同等條件，不同行駛工況下的測試表明，液壓混合動力汽車的平均節油率明顯高於電動混合動力車輛。
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第 2 章 並聯液壓混合動力車輛選型與制動系統
2.1 液壓混合動力系統構型的分析與選擇
本課題基於校企合作項目“起重機混合動力系統開發”，混聯式構型的研究應用周期長，輪邊式構型適用範圍局限性比較大[39]，所以這兩種混合動力系統就不在考慮範圍之內，主要從串聯式和並聯式兩種構型中選擇。
混合動力車輛的節能減排是重要的考慮因素。從表 2.1 串、並聯混合動力系統對比表中可以看出，對於並聯式混合動力車輛，雖然由於結構上導致發動機與車速耦合，難以實現無級變速，車輛的行駛平順性不如串聯式好[40]。但是在混合動力系統的兩個動力單元聯合驅動的情況中，發動機的輸出扭矩可以根據工況調整，保證其始終工作在高效區間。而調整的轉矩部分由液壓泵/馬達來補充，這樣在一定程度上降低了發動機的功率，並且提高了燃油經濟性，相比於串聯式，能夠更好的實現節能減排效果。除此之外，並聯式混合動力系統在動力總成、傳動效率、整車成本、整車布置等方面都占據優勢，並且還可以基於原有起重機車型改造，改造成本低，改造後的車輛可靠性高。所以本次起重機選用並聯式混合動力系統。
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2.2 前置式並聯與後置式並聯構型分析與選擇
根據並聯式車輛傳動機械結構的不同，可以將並聯式劃分為單軸並聯和雙軸並聯兩種結構。單軸並聯是指液壓泵/馬達的主軸與車輛的傳動軸一體，此類結構車輛的液壓泵/馬達需要單獨進行開發，結構較為緊湊，其通過閥卸荷或者液壓泵/馬達的排量歸零來使液壓系統不參與車輛工作。
雙軸式並聯則是發動機與液壓泵/馬達通過耦合器相連並且可以獨立的為車輛提供動力，這樣車輛可以根據工況採用合適的控制策略使液壓泵/馬達工作在高效區間，並且能夠制定系統中各元件優化效率的組合和切換規則，從而更好的優化車輛的能量管理策略和燃油經濟性能，因此更適合應用於工程機械[41]。所以選取雙軸並聯結構作為起重機的混合動力構型。
2.2.1 前置式雙軸並聯結構
如圖 2.1 所示，對於前置式雙軸並聯混合動力系統，液壓泵/馬達處於發動機和變速器的中間位置，發動機與液壓泵/馬達各自輸出的扭矩在轉矩耦合器合成後，經過變速箱傳遞到驅動輪。
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第 3 章 前置式液壓混合動力車輛制動轉矩控制理論模型 ............. 23
3.1 前置式液壓混合動力車輛制動關鍵元件的數學模型 .............. 23
3.1.1 液壓泵/馬達建模………......... 27
3.1.2 液壓蓄能器建模…………..................... 27
第 4 章 前置式液壓混合動力車輛制動轉矩控制的仿真研究 ......... 41
4.1 前置式液壓混合動力車輛仿真模型原理 .................................. 41
4.2 前置式液壓混合動力車輛仿真模型的建立 .............................. 42
第 5 章 前置式液壓混合動力車輛實驗研究 ..................................... 51
5.1 實驗設計……………...... 52
5.1.1 前置式液壓混合動力實驗樣車關鍵元件及型號 ............... 52
5.1.2 前置式液壓混合動力車輛結構與液壓系統部分原理圖 ... 52
第 5 章 前置式液壓混合動力車輛實驗研究
5.1 實驗設計
5.1.1 前置式液壓混合動力實驗樣車關鍵元件及型號
實驗樣車是基於某型號國產起重機改裝而來。為了能夠有足夠的空間布置前置式液壓混合動力車輛液壓系統的各個元件，起重機的上機部分原工作裝置由等重的配重來代替。實驗樣車的關鍵元件及型號如表 5.1 所示：
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第 6 章 總結與展望
隨著能源的消耗和空氣污染的加劇，節能減排成為越來越重要的研究方向。本文對前置式液壓混合動力系統構型的制動系統以及存在的制動安全問題進行了相關的分析與解決，並且對節能減排效果進行了研究。研究主要工作如下：
（1）對比現有的液壓混合動力構型，結合起重機自身的工作特點和環境，選取前置式作為起重機的混合動力構型。在構型選取的基礎上，將混合動力起重機的常見工況劃分為輔助啟動模式、勻速行駛模式、輔助爬坡模式、制動回收模式，並且對前置式液壓混合動力車輛的氣壓制動系統與液壓輔助制動系統的結構與制動原理做了分析。
（2）針對前置式液壓混合動力車輛的液壓系統提供的輔助制動力矩隨變速箱檔位變化問題進行了解決。把制動轉矩控制的關鍵分為兩部分，一部分為液壓泵/馬達的排量控制，一部分為手動變速箱的檔位識別。首先通過對液壓泵/馬達排量控制的相關元件進行數學建模，建立與問題相關的排量控制理論模型，接著在車輛前後輪制動轉矩分配的基礎上，根據不同的制動強度制定了混合動力車輛的制動策略。由於起重機所用的變速箱為手動變速箱，並且沒有配置檔位傳感器，需要進行變速箱檔位識別，通過測量變速箱輸入軸和輸出軸的轉速進行了解決。最終在上述工作的基礎上，得到前置式液壓混合動力車輛不同制動工況下對應的轉矩控制理論表達式。
（3）利用 AMESim 軟體建立前置式並聯混合動力車輛制動轉矩控制模型，並且結合車輛的制動策略對前置式液壓混合動力車輛的制動轉矩控制以及相關的制動性能進行了仿真分析。
參考文獻（略）
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