ü 引用本文
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引用格式： 刘斌，王志福。履带车辆动力系统发展综述[J].四川兵工学报，2014(1):67-72.
Citation format：LIU Bin， WANG Zhi-fu. Overview of Power System Development of Tracked Vehicle[J]. Journal of Sichuan Ordnance， 2014(1): 68-72
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基金项目：国家自然科学基金项目(51105032)；电动车辆国家工程实验室开放基金(2013NELEV004)。
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作者简介：刘斌(1990—)，男，硕士，主要从事车辆动力学研究。
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履带车辆动力系统发展综述
刘 斌，王志福
（北京理工大学 电动车辆国家工程实验室，北京 100081）
摘要:基于动力源和传动系统发展进程的历史回顾，对履带车辆动力系统的发展动态作了综述。文中以内燃机作为动力源的机械传动履带车辆、 液力液压传动履带车辆、 液力机械混合传动履带车辆和以发动机—发电机组、 动力电池组共同作为动力源的混合动力源履带车辆为例，指出了各自发展的优势与存在的不足，并对其作了初步的评价；列举了各种动力系统的应用情况；介绍了混合动力源动力系统的几种较为常用的控制策略。最后指出了未来履带车辆动力系统的发展趋势。
关键词: 履带车辆； 动力系统； 传动； 分布式； 多轮驱动
中图分类号:TJ81+0.1 文献标识码:A 文章编号:1006-0707(2014)01-0068-06
Overview of Power System Development of Tracked Vehicle
LIU Bin, WANG Zhi-fu
(National Engineering Laboratory for Electric Vehicle, Beijing Institute of Technology, Beijing100081, China)
Abstract:A review of power system of tracked vehicle was made in power source and transmission system in this paper. A comparison between different types of power source was definitely made. A detailed description of advantages and disadvantages of tracked vehicle with combustion engine which includes mechanical transmission tracked vehicle, hydraulic transmission tracked vehicle and hydro-mechanical hybrid transmission system and with engine generator and battery pack was made. Meantime, the application of each power system was listed. An introduction of several contro lstrategies of hybrid power system was made. Finally, the direction of future development of power system of tracked vehicle was pointed out.
Keywords: tracked vehicle; power system; transmission; distributed; multi-wheel drive
履带式车辆具有对地面单位压力小、越野通过性能好、克服障碍能力强、可进行零半径转向等优点。此外，还能承载较大的重量，同时可安装大功率发动机和传动装置，使履带车辆的机动性能得到充分发挥。因此，履带式车辆被广泛应用在军用车辆以及民用推土机械、挖掘机械、起重机械、拖拉机、联合收割机等工程机械领域，在国家建设和国防安全中起到了非常重要的作用。动力装置是履带式车辆的动力源，它由发动机和辅助系统组成。履带式车辆采用的动力装置有内燃机和混合动力2种。在此，将履带式车辆的动力系统分为以内燃机为动力装置的动力系统和以混合动力(发动机-发电机组和动力电池组)为动力装置的动力系统。
1 内燃机作为动力源的履带车辆
使用内燃机作为动力源装置不受电源、电缆等限制，使得车辆机动方便，在电动机研究还不太成熟的情况下，其应用较为广泛。最早的履带车辆动力装置多采用汽油机，汽油机单位体积功率大、比质量轻、生产成本低以及启动性能好的优点使其在二战后的一段时间仍在使用，但是汽油机着火点低、燃油消耗率高等缺点使其逐渐被柴油机所取代。苏联在1932—1933年间开始研制坦克用柴油机，并在20世纪30年代后期最早将柴油机装配到履带装甲车辆上。
美国直到1959年才将某燃油缸内直喷式汽油机演变为柴油机，并引领了当时动力柴油机化的发展趋势。在上世纪80年代初美国开始将燃气轮机用作动力源之前，柴油机一直是唯一的动力。我国在20世纪50年代开始从苏联引进军用柴油机全套工艺，于1959年制造了第一台坦克发动机—12150L柴油机。到上世纪60年代中期，先后共发展4种机型。最近几年，我国的研制成功的系列机型功率覆盖率为441~1176kW，并已广泛应用于履带式等各种装甲车辆上[1]。 近年来，新兴的燃气轮机成为了柴油机的强劲竞争对手，其结构简单、质量轻、体积相对较小、振动小等许多优点越来越得到重视。苏联在第二次世界大战后开始军用履带车辆实验燃气轮机的研制工作。燃气轮机20世纪70年代中后期开始运用到履带车辆，当时苏联的T-80主战坦克和美国的M1主战坦克先后装备，功率分别为735kW和1119kW。至1995年，俄罗斯研制出的燃气轮机功率最高可达1470kW，美国最高达2000kW。目前的坦克燃气轮机的单位体积功率可达1200~1500kW/m3，标定功率时的输出轴转速在3000~8000r/min，比重达到了0.62~0.84kg/m3[2]。
根据履带车辆传动系统的不同，又将以内燃机为动力源的履带车辆按传动方式的不同，分为机械传动履带车辆、液力传动履带车辆、液压传动履带车辆、液力机械复合传动履带车辆、液压机械复合传动履带车辆。
1.1 机械传动履带车辆
在履带式车辆发展的初期，车辆动力需求不是很大，其传动系统都采用直接的机械式传动系统，采用机械齿轮变速器的方式实现车辆的动力传动。虽然机械传动的效率较高，结构也较为简单，但是由于驾驶员操作疲劳强度高，而且内燃机功率利用程度受挡数的限制(挡数越多利用功率越好)，而主战型履带车辆车体体积和重量不能太大，机械传动的挡数也不可能太多[3]，所以机械传动装置是有级的，如不切断发动机动力，车速就不能降到零，而发动机动力的切断将导致功率的中断，影响平均行驶速度。
俄罗斯T-72和T-80系列主战坦克所采用的就是机械传动系统。文献[4]中在Matlab/Simulink环境下，建立了某轻型机械传动履带车辆动力系统的仿真模型，并用该模型对车辆的起步加速过程进行了仿真分析。
1.2 液力液压传动履带车辆
随着履带式车辆对动力性能的要求不断提高，其对动力的需求也越来越大。到20世纪60年代，履带车辆的单位功率增加到16kW/t左右，最大速度达65km/h，机械式传动的履带车辆已经不能满足不断提高的动力性能需求，机械传动换挡、转向操纵困难，转向功率损失大的缺陷日益突出。因此由行星式变速机构和差速式转向机构综合组成的液压操纵双功率流传动装置开始运用到履带车辆上来，可以实现动力换挡和多半径转向。在美国的传动装置中，还串联了动液变矩器，使换挡过程平稳，并在低档使用液力工况[5]。液力传动和液压传动方式的履带车辆不仅改善传动的可靠性，同时能够增强司机的操作性，在一定程度上满足了当时对于动力性能的需求。
目前，美国MZ/M3“布雷德利”步兵战车使用的就是液压传动系统[6]，俄罗斯于2011年启动的新型“舰队”坦克研制系统也将采用液力传动装置和功率为1176kW的新型柴油机[7]。
1.3 液力机械混合传动履带车辆
20世纪70年代以来，坦克单位功率增达20kW/t以上，最大速度达72km/h。西方国家主战坦克的传动装置开始普遍采用液力机械综合传动，其结构特点是带闭锁离合器的动液变矩器串联装在行星变速传动中，同时采用液压或液压复合双功率流转向机构实现了无级转向，用电液操纵装置实现自动或手动换挡。在传动总体结构上用模块化设计方法，并与发动机组成一个整体，可以迅速整体吊装[5]。虽然机械传动装置传动效率高，且结构简单，但履带车辆行驶时，驾驶员要根据地面阻力的变化，不断地换挡。而液力机械混合传动能减少换挡次数，提高传动装置传递牵引力的平稳性，扩大履带车辆对行驶地面阻力变化的适应性，减少驾驶员操作的疲劳强度。因而在世界上各个国家至今都能得到较为广泛地应用。
液力机械混合传动有其优点:在一定范围内，液力机械混合传动中的液力变矩器能根据外界阻力变化自动实现无极变速，提高内燃机功率利用率，防止过载熄火，减少换挡次数，减低操作强度；变矩器的输入输出非刚性连接减小了振动和冲击，提高了内燃机和传动系统寿命；液力机械混合传动的实现减少了档位数，简化了变速箱；并且可以获得平稳起动和小速度行驶。但是，由于液力机械混合传动需要结合液力和机械两大系统，其结构相对复杂；并且在行驶阻力变化较小时，其传动效率低[3]。
目前，美国的M1和德国的“豹”1和“豹”2、法国的AMX-32和“勒克莱尔”、英国“挑战者”1/2、日本90式等主战坦克都采用液力机械混合传动系统[8]。
近年来，以内燃机为动力源的履带式车辆多采用大功率柴油机或燃气轮机、综合式液力机械传动、液压无级转向等技术，使机动性得到进一步提高。正是由于以内燃机为动力源的履带车辆的诸多优点，在混合动力电传动的履带车辆开始迅速发展的今天，关于以内燃机为动力源的履带车辆的相关研究也仍在进行。文献[9]中基于静液压驱动履带车辆的基本转向理论分析研究了静液压驱动高速履带车辆转向控制策略。文献[10]中研究了如何协调静液压传动高速履带车辆的动力分配，让系统在外部扰动下更加稳定。并提出了交叉耦合的同步控制策略，以期减小行驶过程中外部扰动对履带车辆动力系统的影响。文献[11]中研究了基于泵的效率分析的履带车辆液压辅助制动控制策略。文献[12]中研究了液压机械差速转向履带车辆的方向盘控制系统设计。文献[13]中对履带车辆液压机械差速转向机构的子系统——液压系统进行了动态仿真，并对其在不同参数条件下的动态性能进行了分析。
２ 混合动力源的履带车辆
以发动机—发电机组和动力电池组共同作为车辆动力源，也称混合动力技术，是目前履带车辆电传动系统动力源采用的主要方案，该方案既可以满足车辆的动力性需求，同时也可以使车辆在战场上实现短时间的静音行驶.履带车辆动力系统采用混合动力能够充分利用各动力源的优势，可以在不降低车辆性能的前提下降低油耗和排放。
混合动力的履带车辆采用电传动，电传动有其突出的优点[14]:①机动性能优良，能够实现无级调速、电子差速控制任意半径转向，加速性能好，没有机械换挡冲击；②系统部件之间多为柔性连接，总体布置灵活，使有效利用空间加大，底盘结构大为简化；③混合动力可提高动力性能和燃油经济性；④机电联合制动，可实现再生能量回馈，提高系统效率；⑤短距离静音行驶，使主动防护能力增强；⑥便于实现模块化、数字化、网络化设计，能够促进无人驾驶地面车辆的实现。
电传动系统早期为直流电传动技术(DC/AC-DC)，后逐渐发展为现代的交流电传动技术(AC-DC-AC)，传动效率得以大幅度提高。交流电传动技术分为单动力源和多动力源两类，单动力源的电驱动履带车辆仅用发动机-发电机组提供电能，而多动力源的电驱动履带车辆则具有发动机-发电机组和动力电池组两个动力源[15]。由于动力电池组和发动机的组合可以有效地改进车辆的功率供给，故多动力源电传动技术逐渐发展成为现代电传动技术的主流。然而在发动机—发电机组和动力电池组两种能量源提供动力的情况下，发动机的工作点、动力电池组的充放电特性及电压等都会对车辆的燃油消耗和排放产生影响，所以不论单动力源还是多动力源，履带车辆动力系统的高效运行还必须依赖于经过精心设计的控制策略，以控制各个子系统工作于最佳状态，从而使得整个系统的总体效率最高。
文献[16]中对单动力源履带式混合动力车辆的控制策略进行了研究。文献[17]中对多动力源履带式混合动力车辆的控制策略进行了研究。此外，对于不同的混合动力结构，也已经提出了许多不同的控制策略。如文献[18]中基于电传动履带车辆动力学分析的模糊控制策略。文献[19-21]中的恒温器模式；文献[22-23]中的功率跟随模式；文献[24-25]中的恒温器-功率跟随(混合)模式等等。
现在履带车辆用得较多的混合动力电传动结构取消了机械转向和变速机构，发动机与主动轮之间没有固定的约束，功率传递通过柔性电缆完成，具有传统机械传动无法比拟的总体设计灵活性。电传动结构中的发动机-发电机组一般选用柴油机或燃气轮机带动同步发电机进行发电，发动机驱动交流电机以产生电力并把它传递给驱动电机，受高速柴油发动机最大速度限制，发电机的体积因受其电枢轴旋转速度的影响而导致很大，而燃气轮机输出最大速度远高于柴油机，因此可以匹配体积小速度高的发电机，故燃气轮机在混合动力履带车辆中的使用更为广泛。驱动电机必须满足机动性对力矩/速度曲线的需求，永磁无刷电机、感应电机和开关磁阻电机能满足这些要求，但一般选用感应电机或永磁无刷电机。驱动模式主要有3种型式:双侧独立式、横轴式和复合式。横轴式结构通过增加连接两侧主动轮的机械传动轴和实现机械差速的行星转向系，但是转向电机功率和体积都较单侧驱动电机有所缩减；复合式结构有上述两种结构的优点，但控制策略复杂，使用不多；双侧电机独立式结构最为简单，应用最为广泛[26，27]。在双侧电机独立驱动模式下，能量由车载能量源通过电缆传输给两侧电机，两侧电机输出力矩侧传动至主动轮，驱动车辆行驶。
电传动的应用，可以追溯到1915年的“小游民”装甲车；1988年德国的“鼬鼠”轻型履带装甲车，1997年美国改进M113A3装甲人员输送车等[28]也采用了电传动结构。表1是各个时期各国具有代表性的电传动坦克情况[15，29]。
传统的坦克动力传动装置是将燃料燃烧产生的热能转变成机械能，而混合动力系统是将燃料燃烧产生的热能转变为电能。混合动力系统实现了车辆的无级变速，显著改善了车辆行驶的平均速度和加速性能，减轻了成员的疲劳程度；与相同功率发动机构成的传统动力传动装置相比，可大幅度节省燃油消耗，并能减少动力舱的容积[2]。现在采用较多的是单一发动机与发电机的混合动力系统，未来混合动力系统或许将会随着对履带车辆性能要求的提高而向双发动机和双发电机的方向发展。
3 分布式履带车辆
对于轮式车辆而言，分布式动力已成为重要的发展趋势。而对于机械传动、液压传动或液力传动的常规履带车辆，其动力传动装置的体积和布置空间有限，尤其是军用履带车辆更是如此。因此，在履带车辆的电传动研究逐渐成熟的情况下，分布式履带车辆将成为今后的重点。目前采用的分布式动力驱动方式一般是2个主动轮分别驱动两侧履带(即一侧履带环上只有一个主动轮，一个诱导轮和若干负重轮)，且根据车辆类型而采用前置前驱动或者后置后驱动的形式。这样的履带车辆，其车辆行驶力学和动力学的理论相对比较完善。
文献[30]中提出了采用双电机分别驱动两侧主动轮的电传动履带车辆行驶控制方案.在建立车辆及驱动系统数学模型的基础上，完成了分布式控制系统设计，提出转速调节与转矩调节的双侧驱动控制方案并进行对比分析.行驶试验验证了控制方案的可行性。2种控制方案已在车辆上成功应用。
４ 多轮驱动履带车辆
电传动技术的迅速发展为研究履带车辆的多轮驱动带来了机遇。多轮驱动技术在轮式车辆中已经得到了相当广泛的应用，与内燃机汽车和一般的单电机中央驱动型电动汽车相比，多轮电驱动车辆在底盘结构、传动效率和控制性能等方面有其独特的技术优势。多轮驱动技术能分散驱动系统功率，使之采用较多单元的较小功率驱动系统，从而方便功率匹配，最大限度的利用能源。
轮式多轮驱动的上述优点同样能用来解决履带车辆驱动电机功率过大到导致的体积过大和功率匹配难题，增强系统配置的灵活性。
文献[31]中通过用一个1/10多轮驱动电传动履带车辆模型在沙土路面上进行仿真实验，得出该系统的履带张力显著减小。提出负重轮和履带之间的牵引力损失是一个亟待解决的问题。接着，又用一个1/5的橡胶履带的多轮驱动车辆模型在多种路面上进行试验，证实了多轮驱动电传动履带车辆的可行性。
文献[32]中提出了将履带车辆诱导轮替换为主动轮的多轮驱动方案，并对这种方案进行了运动学分析，根据每个主动轮与履带的啮合情况，总结得出了多轮驱动的五种可能啮合方式，并针对这些啮合工况对多轮驱动进行了力学分析。建立了将诱导轮替换为主动轮的履带车辆多体动力学模型，并通过仿真验证了该多轮驱动方式的可行性。
文献[33]中对各种可能的四轮驱动方案进行了分析，得出将诱导轮替换为主动轮的驱动方案相对于其他将2个主动轮并排放置的方案具有履带与主动轮轮齿啮合度高，抗干涉能力强等特点。分析了履带车辆行动部分行驶运动学和动力学以及整车行驶运动学和动力学。通过对四轮驱动的行驶动力学分析，得出了电传动履带车辆的四轮驱动在理论上是可行的。
文献[34]中从四轮驱动方案着手，探讨四轮驱动的履带车辆行驶过程中的控制对策。并根据驱动电机的特性及履带车辆对电动机需求特点，分析确定了驱动电机的备选方案和主要控制方法。该文献还结合四轮驱动履带车辆动力学特点，提出了将整车控制分为双侧控制、单侧控制和单电动机控制三个层次的分层式控制策略。
文献[35]中已经就将诱导轮替换为主动轮的四轮驱动履带车辆系统这一想法申请了专利。文献中指出对于将诱导轮替换为主动轮的四轮驱动履带车辆，原本由一个驱动轮产生的驱动转矩可以根据实际情况由两个驱动轮分别产生，其转矩的分配情况则由具体工况实时调整。
5 发展方向
电传动无级调速、任意半径转向、无换挡冲击、部件布置和模块化集成方便等特点使得电传动成为了未来履带车辆动力推进系统的发展方向，为分布式履带车辆和多轮驱动履带车辆的发展提供了契机，同时也为具有生存能力强、火力强、机动能力高、信息获取能力好的全电履带车辆的发展奠定了基础。美国和德国都已经开始了全电战斗车辆的样车研制工作。从各国近年来研制的履带车辆来看，履带车辆的动力系统的发展趋势具体有2个方面:
1)动力源的发展方向。早期履带车辆一般采用的是发动机最为动力源，其输出完全跟随负载变化，功率利用率不高，燃油经济性也较差。随着高功率、大容量储能装置，诸如电池、超级电容等技术的发展，以发动机作为动力源逐渐发展为发动机-发电机组的单动力源和发动机-发电机组合动力电池组的多动力源，混合动力驱动逐步成为了履带车辆技术发展的必然趋势。混合动力车辆由于电池等储能装置对车辆极限工况的辅助作用，提高了车辆在加速、转向等极限工况下的动态特性，此外，电池等储能装置的存在可以在车辆减速制动时实现能量的回收，使得燃油经济性提高，同时也意味着续驶里程的提高。随着今后对动力源和履带车辆性能要求的不断提高，未来混合动力系统或许会由单发动机发电机向双发动机和双发电机的方向发展。
2)电传动结构的发展趋势。混合动力的发展必然导致电传动的发展，对于电传动的诸多优点，前面已经详细叙述。电传动最初采用的是直流-直流的传动模式，即发动机带动直流发电机，直流发电机直接驱动直流电动机；之后出现了将直流发电机改换为交流发电机，并加整流器以获得稳定的电源驱动直流电动机的交流-直流-直流模式；随着小型且传动效率高的交流电动机的控制得以实现，将原有的直流电动机替换为交流电动机，于是出现了交流-直流-交流的模式，并成为主流。而随着永磁电动机、镍镉电池、锂离子电池、混合镍金属电池的不断发展，电传动也将进入新的发展阶段。无论是动力源的发展还是电传动的发展，都是在为以后全电履带车辆的发展奠定良好基础。全电式履带车辆结合了混合动力源和电传动的诸多优点，并且还具有生存能力强、火力强、机动能力高、信息获取能力好的特点，是未来履带车辆特别是主战型履带车辆的发展方向。
6 结束语
本文综述性地论述了履带车辆动力系统的多种类型，并按动力系统动力源的类型和传动系统的类型对履带车辆进行了分类，分析了每种类型的特点，最后指出了今后的发展方向。本文对履带车辆的研究与发展有一定的参考和指导价值。
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