微型電動(dòng)自卸車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配與仿真研究

摘 要：以微型電動(dòng)自卸車為研究對(duì)象，根據(jù)微型電動(dòng)自卸車的動(dòng)力性設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)部件主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力電池進(jìn)行了設(shè)計(jì)匹配選型。采用混合仿真的方法，利用ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator）對(duì)該微型電動(dòng)自卸車電機(jī)、電池及整車模型文件進(jìn)行建立，再對(duì)其在循環(huán)工況下的動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行仿真分析，其仿真結(jié)果表明，該微型電動(dòng)自卸車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性設(shè)計(jì)要求完全吻合，即動(dòng)力系統(tǒng)部件匹配合理。

關(guān)鍵詞：微型電動(dòng)自卸車；動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性；設(shè)計(jì)匹配；仿真；ADVISOR

隨著現(xiàn)代社會(huì)的迅速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們出行主要的交通運(yùn)輸工具，越來越多的汽車給人們帶來一定的便捷，但如今的建筑行業(yè)，中小型建筑工程項(xiàng)目的施工場(chǎng)地內(nèi)的短途建筑材料運(yùn)輸依然依靠人力來完成，建筑工地上沒事沒課都有種種建筑材料需要移動(dòng)或者使用，由于受到其運(yùn)輸空間和復(fù)雜的運(yùn)輸通道限制，使其運(yùn)輸方式完全靠“人拉扯”的形式來運(yùn)輸。這種“人拉扯”的運(yùn)送建筑材料的方式至少需要1-2個(gè)人用強(qiáng)體力拉動(dòng)，裝卸搬運(yùn)繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度過大，消耗時(shí)間過長(zhǎng)，往往由于運(yùn)輸速度跟不上，影響整個(gè)建筑工程任務(wù)的完成時(shí)間。因此，微型運(yùn)輸自卸車的研制得到全國(guó)建筑行業(yè)的關(guān)注。然而，又由于當(dāng)今能源困乏、環(huán)境污染等一些不容忽視的全球問題和建筑施工場(chǎng)地內(nèi)的噪音污染給人們帶來的不適，對(duì)于一種環(huán)保節(jié)能零排放的微型電動(dòng)自卸車而言，它的發(fā)展得到全世界的關(guān)注。文章針對(duì)正在研發(fā)中的微型電動(dòng)自卸車的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)匹配，根據(jù)匹配結(jié)果利用ADVISOR搭建該微型電動(dòng)自卸車各動(dòng)力系統(tǒng)部件的仿真模型，再結(jié)合微型電動(dòng)自卸車的工作工況進(jìn)行整車在循環(huán)工況下的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性仿真，并將其仿真結(jié)果和動(dòng)力性設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，確定動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配是否合理可行。

2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配

在CATIA中對(duì)所設(shè)計(jì)的微型電動(dòng)自卸車進(jìn)行了外形尺寸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示為微型電動(dòng)自卸車的三維模型。

整車性能指標(biāo)如表2所示。

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配選型

微型電動(dòng)自卸車驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為整車的動(dòng)力源，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配主要是功率、轉(zhuǎn)速、扭矩的計(jì)算。

2.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定

根據(jù)汽車行駛功率平衡方程：

當(dāng)微型電動(dòng)自卸車在平直路面上行駛最高車速時(shí)ua=umax，其爬坡阻力和加速阻力為0，所以

驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率不得小于汽車在最大爬坡工況下電機(jī)的功率和在全力加速要求下的車輛需求功率。

在最大爬坡工況下電機(jī)的功率

由公式（1）可知，當(dāng)汽車在最大爬坡i=15%工況下行駛時(shí)，ua=10km/h勻速；加速度為0；加速阻力為0，所以

在全力加速情況下電機(jī)的功率

根據(jù)公式（1）假設(shè)車輛在平直路面上全力加速，其坡道阻力為0，所以

2.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定

電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與峰值轉(zhuǎn)速往往存在一定關(guān)系，一般由系數(shù)？茁來表示。微型電動(dòng)自卸車以直接當(dāng)行駛時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速即為額定轉(zhuǎn)速；以最高檔、最高車速行駛時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為峰值轉(zhuǎn)速。

由于該微型電動(dòng)自卸車對(duì)速度要求不高，所以考慮電機(jī)工作高效區(qū)的性質(zhì)，選取6000r/min以下的低速電機(jī)。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的確定

微型電動(dòng)自卸車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩既要保證其加速性能又要滿足最大爬坡度的要求。因此：

綜合上述分析，文章選擇的電機(jī)型號(hào)為YD160L-4-9驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其參數(shù)見表3。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 最小傳動(dòng)比的確定

傳動(dòng)系最小傳動(dòng)比imin是由電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和微型電動(dòng)自卸車的最高車速?zèng)Q定的。若是單速傳動(dòng)imin=i0，i0為主減速器速比；若是多速傳動(dòng)imin=i0ig，ig是變速器最高檔速比。

由于主減速器的速比選擇在4.9～6.5之間，因此兩種變速機(jī)構(gòu)都可以滿足微型電動(dòng)自卸車最高車速的要求。

2.2.2 傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比的確定

傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比imax是由電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩和自卸車的最大爬坡度決定的。若是單速傳動(dòng)imax=i0；若是多速傳動(dòng)imax=i0ig。

由此可見，單純靠主減速器進(jìn)行調(diào)速滿足不了微型電動(dòng)自卸車整車的爬坡性能，必須增加額外的變速機(jī)構(gòu)。因此文章采用多速傳動(dòng)作為微型電動(dòng)自卸車的傳動(dòng)形式。

微型電動(dòng)自卸車在換擋過程中，必須保證前一擋所能達(dá)到的最高車速大于等于后一擋電機(jī)在基速區(qū)時(shí)的車速，這樣就保證了整車行駛的平順性和動(dòng)力輸出的連續(xù)性，其關(guān)系如圖2所示。

由此可見微型電動(dòng)自卸車的檔位數(shù)最少有2個(gè)，但為了避免使傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，確定選擇兩檔變速器作為最終的變速方案。

綜上所述，最終確定微型電動(dòng)自卸車的傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。

2.3 動(dòng)力電池的匹配

2.3.1 電池組電壓的選擇

根據(jù)所選YD160L-4-9電機(jī)控制器的額定電壓300V-600V，確定動(dòng)力電池組電壓為300V，由于電池單體電壓為3.2V，所以需要94串聯(lián)單體。

2.3.2 電池容量的確定

該微型電動(dòng)自卸車滿載以10km/h的速度勻速行駛時(shí)的功率P0 可由公式（1）計(jì)算得到。

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求微型電動(dòng)自卸車滿載時(shí)以10km/h的速度在平直公路上勻速行駛的距離可長(zhǎng)達(dá)150km，可得到車輛在勻速行駛過程中所需的能量：

微型電動(dòng)自卸車在運(yùn)行時(shí)，耗電附件也消耗了大量的能量，該部分約占總能量的10%；由于電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)電池起保護(hù)作用，在SOC低于20%時(shí)禁止放電；另外驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械效率約為85%。因此電池所需的總電量為：

3 整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真分析

ADVISOR建模：

根據(jù)整車技術(shù)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)、傳動(dòng)系參數(shù)和動(dòng)力電池參數(shù)對(duì)Vhicle、Motor、Transmission、Energy Storage模塊模型文件進(jìn)行編輯和調(diào)用，進(jìn)一步建立動(dòng)力系統(tǒng)部件及整車仿真模型，如圖3～7所示。

由于電動(dòng)微型運(yùn)輸自卸運(yùn)行過程中實(shí)際工況的復(fù)雜性，仿真循環(huán)工況以我國(guó)汽車典型測(cè)試工況CYC_UDDS作為模型輸入，電動(dòng)微型運(yùn)輸自卸車仿真循環(huán)工況如圖8所示。

文章對(duì)電動(dòng)微型運(yùn)輸自卸車的動(dòng)力性仿真，主要包括其最高車速、最大爬坡度和加速性能的仿真計(jì)算；經(jīng)濟(jì)性仿真主要是工況下的續(xù)駛里程。如圖9為其動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果、表6為動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)的對(duì)比。

在電動(dòng)微型運(yùn)輸自卸車行駛過程中由于工況的復(fù)雜性，車速很難維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的速度上，如圖10、11、12、13、14別為跟隨車速的變化曲線和電機(jī)、電池的狀態(tài)曲線以及效率圖。

通過分析仿真結(jié)果可以看出當(dāng)車輛加速行駛時(shí)，電機(jī)扭力正向增加通過傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車輪，此時(shí)電流增大；當(dāng)車輛減速制動(dòng)時(shí)，車輪帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為負(fù)，即車輛進(jìn)入能量回收階段，向動(dòng)力電池輸入電能。由仿真結(jié)果可以看出對(duì)于該電動(dòng)微型運(yùn)輸自卸車動(dòng)力系統(tǒng)部件的匹配情況滿足動(dòng)力性要求和工況要求并且車輛行駛穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

文章針對(duì)微型電動(dòng)自卸車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究，首先根據(jù)微型電動(dòng)自卸車整車技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)整車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)部件包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主減速、變速器和動(dòng)力電池進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配，根據(jù)匹配結(jié)果對(duì)相應(yīng)部件進(jìn)行選型，為了驗(yàn)證匹配結(jié)果的正確性，進(jìn)而基于ADVISOR建立了整車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真模型，仿真結(jié)果完全符合整車設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，且滿足循環(huán)工況要求，行駛穩(wěn)定，為進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性提供參考，為企業(yè)研制微型電動(dòng)自卸車提供可靠的理論依據(jù)。

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