超圖建模法及其在車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用*

唐正華，閆清東，冷韶華，劉 毅

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081;2.裝甲兵學(xué)院模擬訓(xùn)練中心，蚌埠 233050;3.山東經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，濰坊 261011;4.裝甲兵學(xué)院裝甲裝備教研室，蚌埠 233050)

前言

隨著技術(shù)的發(fā)展，坦克裝甲車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也日益復(fù)雜與多樣，經(jīng)歷了定軸齒輪傳動(dòng)向行星傳動(dòng)、液力傳動(dòng)和液力機(jī)械傳動(dòng)等形式演變［1］。傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性給其設(shè)計(jì)與分析帶來(lái)了困難;因建模復(fù)雜，目前RecurDyn、Adams和CFX等商業(yè)軟件都難以有效解決多工程領(lǐng)域的混合問題［2］;鍵合圖理論將多種物理參量統(tǒng)一為勢(shì)變量、流變量、廣義動(dòng)量和廣義位移4種廣義變量，隱藏了機(jī)液電等不同能域之間的差異;然而，在傳動(dòng)系統(tǒng)存在功率循環(huán)時(shí)，鍵的方向無(wú)法確定，增加了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的鍵合圖模型構(gòu)建的復(fù)雜性［3］。超圖理論［4］是有效解決此種未確定功率流向的方法之一。

超圖是圖論的一個(gè)分支，作為最一般的離散結(jié)構(gòu)，超圖非常適合對(duì)龐大復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行拓?fù)涿枋觥ｋS著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，超圖在信息科學(xué)、生命科學(xué)和工程技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文中基于超圖理論，構(gòu)建車輛傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩超圖模型，運(yùn)用深度優(yōu)先搜索算法［5］，自動(dòng)獲得傳動(dòng)系統(tǒng)的擋位信息，為設(shè)計(jì)計(jì)算提供了有效的手段，提高了分析與設(shè)計(jì)效率。

1 典型部件的超圖模型

超圖是有序三元組(V，E，Φ)的數(shù)學(xué)表示，其中V為頂點(diǎn)集，E為邊集，Φ為E到V中元素有序?qū)驘o(wú)序?qū)Υ氐暮瘮?shù)，稱為關(guān)聯(lián)函數(shù)［6］。V中的元素為頂點(diǎn)，E中元素為邊。關(guān)于頂點(diǎn)集V，存在邊e=(v1，v2，…，vi)，vi∈V，若 i=1，即邊 e只含有1 個(gè)頂點(diǎn)，這樣的邊稱為自環(huán)邊;若i=2，即含2個(gè)頂點(diǎn)的稱為普通邊;若i≥3，即含3個(gè)和3個(gè)以上頂點(diǎn)的邊，稱為多元邊。自環(huán)邊、普通邊和多元邊統(tǒng)稱為邊。邊的圖形表示如圖1所示。

基于超圖理論的建模方法是:研究某一類事物和它們之間的某種聯(lián)系時(shí)，若用頂點(diǎn)表示某一類的若干事物，用邊表示它們之間的聯(lián)系，并將聯(lián)系的具體形式——關(guān)聯(lián)函數(shù)作為屬性賦給邊，即可把研究對(duì)象抽象為由一組點(diǎn)和連接這些點(diǎn)的一組邊所構(gòu)成的超圖。屬性用［·］表示。

車輛傳動(dòng)系統(tǒng)由各個(gè)傳動(dòng)部件組成，構(gòu)建傳動(dòng)部件的超圖模型是建立傳動(dòng)系統(tǒng)超圖模型的基礎(chǔ)。傳動(dòng)部件的超圖模型具體構(gòu)建規(guī)則如下:(1)部件組成元件映射為頂點(diǎn)，元件間的連接關(guān)系映射為邊;(2)賦予頂點(diǎn)所映射元件的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩屬性，賦予邊映射關(guān)系所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型;(3)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，分別構(gòu)建轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩超圖模型;(4)針對(duì)控制元件，構(gòu)建其不同控制狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩超圖模型。

以基本行星排為例，行星排由太陽(yáng)輪t、齒圈q和行星架j 3個(gè)元件組成，它們之間存在的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩關(guān)系式如下:

式中:nt、nq、nj和 Tt、Tq、Tj分別為太陽(yáng)輪、齒圈、行星架的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩;k為行星排的特性參數(shù)。

構(gòu)建的轉(zhuǎn)速超圖模型如圖2所示。轉(zhuǎn)速超圖模型中，太陽(yáng)輪、齒圈和行星架映射為頂點(diǎn) vt、vq、vj，式(1)轉(zhuǎn)速關(guān)系式映射為三元邊(vt，vq，vj)。將3元件的轉(zhuǎn)速附加到超圖模型的頂點(diǎn)屬性上，如頂點(diǎn)vj的轉(zhuǎn)速屬性是 vj［n］，其值為 nj。邊(vt，vq，vj)轉(zhuǎn)速屬性是(vt，vq，vj)［n］，其值是 nt+knq－ (1+k)nj，滿足式(1)的關(guān)系。

構(gòu)建的轉(zhuǎn)矩超圖模型如圖3所示。太陽(yáng)輪、齒圈和行星架間的轉(zhuǎn)矩關(guān)系式(式(2))映射為邊(vj，vq)和邊(vj，vt)，且有這樣的屬性:(vj，vq)［T］=kTj+(1+k)Tq，(vj，vt)［T］=Tj+(1+k)Tt。

離合器、制動(dòng)器、定軸齒輪對(duì)、行星排和液力變矩器等典型部件，在車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中極為常見，它們之間通過(guò)機(jī)械或液力等形式完成能量傳遞或轉(zhuǎn)換。典型部件的超圖模型如表1所示，限于篇幅，表中未標(biāo)明頂點(diǎn)和邊的屬性。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的超圖模型

將傳動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)組成部件模塊化，建立部件超圖模型，并將部件間的物理連接映射為超圖模型的邊，構(gòu)建傳動(dòng)系統(tǒng)的超圖模型。其具體構(gòu)建規(guī)則如下:(1)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，分別構(gòu)建傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩超圖模型;(2)因傳動(dòng)系統(tǒng)存在控制件，須針對(duì)不同的控制狀態(tài)建立相應(yīng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩超圖模型;(3)建立傳動(dòng)系統(tǒng)組成部件的轉(zhuǎn)速超圖模型，將連接兩個(gè)部件的只具連接關(guān)系的軸(或忽略軸的柔性和慣量)映射為轉(zhuǎn)速超圖模型的邊;(4)建立傳動(dòng)系統(tǒng)組成部件的轉(zhuǎn)矩超圖模型，將連接兩個(gè)及以上部件間的只具連接關(guān)系的軸(忽略軸的柔性和慣量)映射為轉(zhuǎn)矩超圖模型的多元邊，若定軸齒輪對(duì)存在惰輪，則對(duì)惰輪構(gòu)建自環(huán)邊;(5)將傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入與輸出映射為超圖模型的源點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)，若傳動(dòng)系統(tǒng)不存在動(dòng)力輸入或動(dòng)力輸出部件，則通過(guò)引入虛頂點(diǎn)來(lái)描述假想的動(dòng)力輸入輸出元件，將動(dòng)力輸入和輸出關(guān)系映射為邊，構(gòu)建完整的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩超圖模型。

注:(1)其他6種基本行星排和普通行星排類似，其差別只反映在數(shù)學(xué)模型上，而轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩超圖模型的拓?fù)湫问讲蛔?(2)數(shù)學(xué)模型中的“－”表示對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)的該部件各端口間不存在轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩關(guān)系式;(3)定軸齒輪對(duì)在作為傳動(dòng)組件時(shí)，其構(gòu)成元件未全部與其他組件或元件有連接關(guān)系(如存在惰輪)的情況下，其轉(zhuǎn)矩會(huì)增加一條轉(zhuǎn)矩為0的關(guān)系式，相應(yīng)地轉(zhuǎn)矩超圖模型也發(fā)生改變。

以圖4所示某定軸變速器為例，分別建立其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩超圖模型。該變速系統(tǒng)由輸入錐齒輪副1，齒輪副2、3、4、5 和離合器 CL、CH、CR、C1、C2、C3等通過(guò)軸I、II、III構(gòu)成單輸入雙輸出系統(tǒng)。

空擋(即離合器 CL、CH、CR、C1、C2、C3 都處于分離狀態(tài))時(shí)的轉(zhuǎn)速超圖模型如圖5所示。其中標(biāo)號(hào)11、12分別表示構(gòu)成錐齒輪副1的兩個(gè)齒輪，用CL、CL表示CL離合器的主被動(dòng)邊，其余類推。為了更清楚地描述傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入輸出，引入虛頂點(diǎn)I、O1和O2，分別表示系統(tǒng)的輸入、左側(cè)和右側(cè)輸出。頂點(diǎn)I是超圖模型的源點(diǎn)，頂點(diǎn)O1、O2是超圖模型的目標(biāo)點(diǎn)。

從圖中可以看出，28個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成了頂點(diǎn)集，25條邊構(gòu)成了邊集。系統(tǒng)分析時(shí)，一個(gè)頂點(diǎn)表示一個(gè)自由度，一條邊表示一個(gè)約束，則該系統(tǒng)的自由度為28－25=3。當(dāng)已知系統(tǒng)輸入時(shí)，即增加了自環(huán)邊(vI)，相當(dāng)于增加了一個(gè)約束，系統(tǒng)的自由度降為2。此時(shí)通過(guò)對(duì)控制件離合器的操縱組合，增加兩條邊，使得頂點(diǎn)集與邊集所含元素個(gè)數(shù)相等，即可將系統(tǒng)自由度降為0，即得到該系統(tǒng)的某一個(gè)擋位。例如結(jié)合離合器CL與C1，即可實(shí)現(xiàn)該變速系統(tǒng)的一個(gè)擋位，該擋位用(CL，C1)表示。

忽略連接傳動(dòng)部件間軸的柔性和慣量，構(gòu)建擋位(CL，C1)下的轉(zhuǎn)矩超圖模型，如圖6所示。

從圖中得知，共有28個(gè)頂點(diǎn)和26條邊，在已知系統(tǒng)輸入，即增加自環(huán)邊(vI)時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)矩超圖模型，經(jīng)過(guò)拓?fù)溥\(yùn)算，可以構(gòu)造出轉(zhuǎn)矩平衡方程組，即可解得系統(tǒng)輸出O1與O2的轉(zhuǎn)矩之和。這表明該系統(tǒng)在擋位(CL，C1)下存在功率分配情況，受兩側(cè)負(fù)載影響。同理，可分析其他擋位下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩情況。轉(zhuǎn)矩超圖模型配合轉(zhuǎn)速超圖模型，可自動(dòng)列出傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)平衡方程組，進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)性能的分析與計(jì)算。

3 擋位自動(dòng)分析

基于傳動(dòng)系統(tǒng)空擋下的轉(zhuǎn)速超圖模型，運(yùn)用深度優(yōu)先搜索算法，通過(guò)操縱控制元件，搜索源點(diǎn)I到目標(biāo)點(diǎn)O的通路，即可得到該傳動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)擋位，其算法流程圖如圖7所示。

圖5所示的轉(zhuǎn)速超圖模型中，因目標(biāo)點(diǎn)O1與O2連通，只須找出源點(diǎn)I與目標(biāo)點(diǎn)O1的通路即可得到擋位信息。搜索結(jié)果如下，該變速器可能實(shí)現(xiàn)的擋位數(shù)為 9，分別為:(CL，C1)，(CL，C2)，(CL，C3)，(CH，C1)，(CH，C2)，(CH，C3)，(CR，C1)，(CR，C2)，(CR，C3)。該方法得到的結(jié)果與其他傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算得到的相一致［7］，表明該方法是可行的。

在已知傳動(dòng)系統(tǒng)組成部件的特性參數(shù)時(shí)，如齒輪齒數(shù)或速比，可由搜索路徑P構(gòu)成轉(zhuǎn)速平衡聯(lián)立方程組，求解得出各個(gè)擋位下傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)要求和車輛行駛性能要求，選取全部或部分擋位作為最終設(shè)計(jì)擋位。

4 結(jié)論

(1)基于超圖理論，構(gòu)建了典型部件和傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩超圖模型，該模型為設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)輔助分析傳動(dòng)系統(tǒng)的性能提供了有效的解決方案。

(2)運(yùn)用深度優(yōu)先搜索算法，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超圖模型的搜索運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)系統(tǒng)擋位自動(dòng)分析，獲得了各擋位的傳動(dòng)比等信息，為設(shè)計(jì)分析人員提供了快速的分析手段。

［1］ 閆清東，張連第，趙毓芹，等．坦克構(gòu)造與設(shè)計(jì)(下冊(cè))［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2007:94－98．

［2］ 楊世文．面向?qū)ο蟮木C合傳動(dòng)裝置建模與動(dòng)態(tài)仿真研究［D］．北京:北京理工大學(xué)，2003:4－9．

［3］ 武亞敏．車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)鍵合圖建模及仿真研究［D］．北京:北京理工大學(xué)，2003:9－17．

［4］ Berge C．Graphs and Hypergraphs［M］．New York:North Holland Publishing Company，1973:389 －413．

［5］ 王樹禾．圖論及其算法［M］．合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社，1990:92－100．

［6］ 王建方．超圖的理論基礎(chǔ)［M］．北京:高等教育出版社，2006．

［7］ 閆清東，李慎龍，姚壽文．基于圖論的行星變速機(jī)構(gòu)分析方法［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，40(4):1029 －1033．