纯电动清洗车取力系统匹配研究_徐舟.pdf

2023.01建设机械技术与管理 61设计计算1 前 言环卫车作为专用车辆的一个大类别1，为城市的环境和美化做出了突出贡献。为进一步节能、环保，降低汽车油耗及排放，各环卫厂家纷纷开始研发并推出纯电动环卫车2。伴随着市场的向好发展，行业的参与者越来越多，竞争越来越激烈，如何降低产品成本、提高产品竞争力成为一个不可回避的话题。其中，用取力器方案实现上装作业与上装采用单独电机系统驱动的方案具有较大的成本优势，一直是环卫车的一个研究方向。本文拟通过 simulink 仿真对取力系统与清洗车动力系统的匹配研究找到一个有利于提高清洗车作业时的动力性和经济性的方案。2 取力器匹配计算2.1 整车参数及取力器要求在已有基础底盘上加装取力器供上装系统工作，整车基本参数如下表 1 所示：基础底盘动力系统参数如下表 2 所示：上装要求：取力器工作在 1800rpm/200Nm 时，车辆速度应在 25 30km/h 之间。2.2 取力器安装方案原底盘动力系统为驱动电机+行星减速箱的二合一产品。经过沟通和探讨后，取力器的取力位置为在原电机尾部，对原电机进行改制，将轴加长并从尾部取力的方案。2.3 取力器匹配计算2.2.1 电机转速计算依据公式（1），得出车速在 25 30km/h 之间时，电机转速在 2610 3120rpm 之间。v=0.377 r ni0 ig （1）式中：v车速；r滚动半径；n电机转速；i0主减速比；ig减速箱速比。2.2.2 取力器匹配计算由2.2.1计算结果可知，若取力器直接连接电机尾端轴，纯 电 动 清 洗 车 取 力系 统匹 配 研 究Study on the Matching EV Sanitation VehiclesPTO徐舟 夏靖武 赖勇（中联重科环境产业股份有限公司，湖南 长沙 410000）摘要：随着新能源汽车的行业的不断发展，新能源技术不断向专用车领域扩张，其中环卫车是最受行业重视的一个细分领域。清洗车是环卫车领域一个至关重要的产品，有着自身独特的工况。本文从清洗车底盘和上装取力的匹配工作上进行相应的研究，应用 simulink 仿真动力性经济性，得到了最佳的匹配设计值。关键词：纯电动；清洗车；取力系统；匹配研究；仿真中图分类号：U469.6 文献标识码：A电机额定/峰值转矩 Nm350/800额定/峰值转速 rpm2450/7400额定/峰值功率 kW90/185减速箱速比2.74效率%97.5最大输入转速 rpm7400最大总质量/kg12500迎风面积 m27风阻系数0.9车轮半径0.5传动比7.16传动效率0.9滚阻系数0.015表 1 底盘基本参数表 2 动力系统基本参数DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.02962 建设机械技术与管理 2023.01 设计计算无法满足车速在 25 30km/h 时取力器转速为 1800rpm 的要求，因此取力器与电机尾端轴之间需加一个减速器将取力器的输出转速降低至 1800rpmp。依据公式（2），减速器速比范围应为 1.45 1.73 之间。3 性能仿真校核上装不工作时的动力性和经济性在开发底盘时已经进行过仿真校核，本文中不在进行底盘的性能校核工作，主要针对上装作业时的动力性经济性进行校核。取减速器速比为 1.45、1.73 以及两速比的中间值1.59 进行动力性经济性校核和仿真。表 3 是当取力器输出1800rpm/200Nm 时，通过三种速比的减速器后反馈到电机上的负载情况。3.1 动力性校核动力性校核主要考核上装作业时的爬坡度。车辆在行驶过程中受到滚动阻力、坡度阻力、空气阻力、加速阻力，同时考虑到取力器带来的负载根据功率平衡原理，车辆功率平衡方程式如下公式（2）所示：Fd=Fm Fq=Ff+Fw+Fi+Fj （2）式中：Fd总驱动力；Fm电机驱动力；Fq取力器阻力；Ff滚动阻力；Fw空气阻力；Fi坡度阻力；Fj加速阻力。实际在爬坡度计算中，加速阻力忽悠不计，形成如图 1所示的仿真模型，仿真结果如图 2、图 3 和表 4 所示。从图 2、图 3 和表 4 可以看出，当车速相同时，无论最大爬坡度还是持续爬坡度，都是n=1.73最大，n=1.45最小。这是因为，车速相同时，电机转速相同，对应的电机峰值转矩和额定转矩相同，减速器速比越大，反馈到电机上的转矩损耗越小，电机有更大的转矩用来驱动车辆爬坡。但是，如速比1.451.591.73反馈转速2610rpm2862rpm3114rpm反馈转矩138Nm126Nm116Nm对应车速25.1km/h27.5 km/h29.9 km/h表 3 取力反馈负载图 1 最大爬坡度仿真模型图 2 最大爬坡度图 3 持续爬坡度表 4 动力性仿真结果速比1.451.591.73最大爬坡度14.0%12.4%11.3%持续爬坡度3.8%3.3%2.9%图 4 电机效率仿真模型图 5 作业效率2023.01建设机械技术与管理 63设计计算果要保证取力器满功率状态（即取力器转速 1800rpm，转矩 200Nm）工作，则情况发生变化，无论最大爬坡度还是持续爬坡度，都是 n=1.45 最大，n=1.73 最小。这是因为，当取力器满功率工作时，电机工作转速超出了电机的额定转速，随着电机转速的升高，电机转矩下降，而减速器速比越大，电机工作转速越高，转矩下降越大，且电机本身转矩的下降速度大于取力器反馈到电机上的转矩损耗，因此驱动车辆的转矩变小，爬坡度减小。因此，从动力性的角度来看，在进行匹配时，电机的工作转速不宜超出额定转速。3.2 经济性校核对整车在满功率作业下的经济性性进行计算校核，设车辆在作业时为在无坡度的路面上匀速行驶，作业车速为25 30km/h。依据公式（1）和公式（2）建立如图 4 所示仿真模型，得到不同速比下的作业时的电机效率，仿真结果如图 5、图 6 和表 5 所示。速比1.451.591.73电机转速 rpm261028623114电机转矩 Nm197186177电机效率%93.893.994百公里总能耗 kWh229216205百公里取力能耗 kWh160146134百公里行车能耗 kWh697071表 5 满功率取力性能表图 7 百公里能耗从图 5、图 6 中可以看出，在相同车速时，减速箱速比越小，电机效率越高；但是当满功率工作时，减速箱速比越高，电机效率越高。图 6 中从左至右的三个五角星分别代表n=1.45、1.59、1.73 时的驱动电机工作点位置，从图 6 中也可以看出，n=1.73 时，电机工作点更靠近 94%的等高线，而其它两个点则相对较远。通过公式（3）计算不同减速器速比时的百公里满功率作业能耗，如图 7 和表 5 所示。从表 5 得出减速比越大，百公里能耗越低。其主要原因为：（1）满功率作业时，减速比越大，对应车速越高，作业时间越短，作业的功率保持恒定的情况下作业时间越短，则整车的作业能耗越低；（2）虽然车速越高，行车阻力越大，带来的损耗越大，但一方面因为电机的效率更高，且行车时间更短，因此这也减小了一部分能耗，所以行车能耗差距不大。总的来看，能耗的差异主要是因为作业时间变短而导致的。E=100 n Tv 9550 （3）式中：E消耗的能量;n电机转速;T电机转矩;v车速;电机效率。4 总 结通过本论文的研究，发现当底盘参数确定后，取力器的速比选择会对车辆的动力性和经济性产生较大的影响。从动力性角度来看，上装满功率取力时的电机转速不宜超过电机额定转速，否则会造成作业时的持续爬坡度不足；从经济性角度来看，则在保证作业效果时，电机转速越高越好，这样整车的百公里能耗最小。同时，通过本文的研究，也给有上装取力作业的车辆在进行动力系统匹配时提供了一个思路，在进行整车的能耗设计时需要将上装的能耗进行整体考虑，以改善整车作业时的动力性和经济性。参考文献1 GB/T 3730.1-2001.汽车和挂车类型的术语和定义S.2 李温锋，郭佳鹏，王仁鹏.洗扫车动力传动技术路线分析 J.汽车实用技术，2019（18）:117119.收稿日期：2022-09-21作者简介：徐舟，硕士，工程师，主要从事新能源汽车动力三电系统应用研究。图 6 满功率工况落点