純電動環(huán)衛(wèi)車水泵與底盤動力匹配研究

楊輝，馬宇，王旭，李政賢，李鵬，康武

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純電動環(huán)衛(wèi)車水泵與底盤動力匹配研究

楊輝，馬宇，王旭，李政賢，李鵬，康武

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

通過水泵性能研究，在不同工況下，電機、自動變速器、取力器動力匹配計算，研究純電動環(huán)衛(wèi)車水泵與底盤動力匹配設計的方法。

水泵；取力器；電機

前言

隨著城市化進程的推進，環(huán)衛(wèi)車已經(jīng)成為市政環(huán)衛(wèi)不可或缺的作業(yè)工具。純電動車有著零排放，低噪音，清潔環(huán)保的優(yōu)點，可在任何時段作業(yè)而不擾民。在政府的大力推廣下，純電動環(huán)衛(wèi)車已逐漸出現(xiàn)在城市保潔的一線。水泵作為路面保潔噴灑類環(huán)衛(wèi)車的必要設備，對作業(yè)效果至關(guān)重要，水泵與純電環(huán)衛(wèi)底盤的匹配設計也與傳統(tǒng)柴油環(huán)衛(wèi)車有著明顯區(qū)別。本文以驅(qū)動電機帶AMT通過傳動軸驅(qū)動底盤行走的純電動環(huán)衛(wèi)車方案為示例進行研究，探討純電動環(huán)衛(wèi)車水泵與底盤動力匹配設計。

1 水泵的性能分析

水泵的性能參數(shù)包括流量、揚程、輸入軸轉(zhuǎn)速、軸功率、自吸高度、自吸時間、效率等，不同改裝廠家對整車作業(yè)效果、成本、工藝要求不一樣，導致水泵選型的標準也不一樣。本文以灑水車及洗掃車等環(huán)衛(wèi)車常用的杭州威龍自吸式離心泵作為參考進行分析。表1為杭州威龍水泵主要性能參數(shù)表。

表1 杭州威龍水泵主要性能參數(shù)（20°C常溫清水）

水泵、取力器的正確匹配是保證具有灑水功能的環(huán)衛(wèi)車正常運行的重要設計因素，這只是灑水車可靠使用的前提條件。當水泵轉(zhuǎn)速在±20%范圍內(nèi)變化時，其流量、揚程、軸功率、效率的變化關(guān)系如下[1]：

流量比：Q/Q'=n/n'

揚程比：H/H'=（n/n'）2

軸功率比：P/P'=（n/n'）3

效率：η=η'

即水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，其揚程壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，其軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比（當轉(zhuǎn)速差相差較大時，其換算誤差也增大，特別是效率誤差增大，需通過實驗驗證）。

當選用的取力器速比一定時，其動力源驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速也相應確定。水泵在額定轉(zhuǎn)速下運行時，其性能達到最佳狀態(tài)。當取力器轉(zhuǎn)速低于或者超過水泵輸入軸額定轉(zhuǎn)速時，則驅(qū)動水泵所需的功率及扭矩也低于或超過額定轉(zhuǎn)速時對應的功率與扭矩。當車型一定，行走作業(yè)車速一定時,此時對應電機轉(zhuǎn)速確定，取力器速比是一定的，因此對應的取力器轉(zhuǎn)速是確定的，從而水泵輸入軸轉(zhuǎn)速是確定的。水泵轉(zhuǎn)速的快慢直接影響了水泵及取力器的壽命，根據(jù)經(jīng)驗，當水泵轉(zhuǎn)速超過1600轉(zhuǎn)后易引發(fā)故障，影響可靠性。

2 底盤動力與水泵匹配設計

2.1 不同工況下整車動力需求計算

以某一中型純電動灑水車設計方案為例，進行底盤動力與水泵匹配分析，其整車主要設計參數(shù)見表2。汽車底盤以永磁同步電機為動力源，通過AMT變速器、傳動軸驅(qū)動車輛后橋行走，上裝水泵通過底盤AMT變速器帶的取力器驅(qū)動灑水泵在車輛低速行走時進行灑水作業(yè)。

表2 整車主要設計參數(shù)

2.1.1 無坡度工況

在無坡度工況，忽略坡度阻力與加速阻力，環(huán)衛(wèi)車作業(yè)時需求功率與最高車速（不作業(yè)）需求功率取二者較大值，作為該工況下整車需求功率的下限值。

根據(jù)受力分析，可求得在作業(yè)車速ua=10km/h時，底盤驅(qū)動行走需求電機功率：

若變速器在二檔Ig=3.73，后橋速比I0=6.17，電機對應轉(zhuǎn)速n1=1256r/min，取力器對應轉(zhuǎn)速n2=1256×1.138=1429 r/min＜1500r/min＜1600r/min，此時取力器可正常工作，為保證取力器及水泵可靠性，行車作業(yè)時應限制變速箱檔位，即起步時變速箱即在二檔。此時水泵功率P泵=24×（1429/ 1480）3=21.60kw。

在無坡度工況，不考慮加速阻力的前提下，作業(yè)車速=10km/h，計算得整車需求功率P作業(yè)=7.28+21.60=28.88kw。

在無坡度工況，不考慮加速阻力的前提下，最高車速ua=70km/h時，計算的整車需求功率P車速=67.09 kw。

在無坡度工況，不考慮加速阻力的前提下，P無坡度=fmax{P作業(yè),P車速}=67.09 kw。

2.1.2 極限作業(yè)坡度工況

在極限作業(yè)坡度12%工況，不考慮加速阻力的前提下，作業(yè)車速ua=10km/h時，環(huán)衛(wèi)車極限坡度作業(yè)時底盤驅(qū)動行走需求功率及需求扭矩為：

綜上，在極限作業(yè)坡度12%工況，不考慮加速阻力的前提下，作業(yè)車速10km/h時，整車需求功率P作業(yè)坡度=79.05+21.60 =100.65 kw。

2.1.3 最大爬坡度工況

在最大爬坡度15%工況，不考慮加速阻力的前提下，爬坡車速ua=5km/h，在變速器二檔Ig=3.73時，底盤驅(qū)動行走需求功率及扭矩為：

在最大爬坡度工況，不考慮加速阻力的前提下，爬坡車速為5km/h時，整車需求功率P爬=48.29 kw。

2.2 水泵與底盤動力適配分析

在無坡度工況，忽略坡度阻力與加速阻力，要實現(xiàn)行車作業(yè)時灑水泵可靠工作，水泵轉(zhuǎn)速需控制在1600r/min。同時因取力器最高輸出轉(zhuǎn)速為1500r/min,實際要求水泵轉(zhuǎn)速應控制在1500r/min以內(nèi)，對應電機轉(zhuǎn)速不得超過1319 r/min。因此必需通過整車控制邏輯限制變速器頭檔，使頭檔失效，同時限制二檔時電機轉(zhuǎn)速不超過1319r/min，才可保證取力器、水泵均不轉(zhuǎn)速、超負荷運轉(zhuǎn)。

在極限作業(yè)坡度工況下，比之無坡度工況，底盤驅(qū)動所需功率與扭矩均增加以克服坡度阻力，考慮作業(yè)工況非短時工況，需校核行走與水泵驅(qū)動所需功率之和不超過方案所匹配電機的額定功率，驅(qū)動所需變速器輸入扭矩與水泵驅(qū)動所需變速器輸入扭矩之和不超過變速器最大輸入扭矩，同時電機最大扭矩需滿足變速器極限作業(yè)坡度工況下扭矩需求。

在最大爬坡度工況下，需校核驅(qū)動所需扭矩是否超過變速箱最大輸入扭矩，驅(qū)動所需功率根據(jù)爬坡用時長短，確定其與電機額定功率、最大功率關(guān)系。如爬坡時長不超過電機額定功率允許工作時長，只需電機最大功率滿足爬坡驅(qū)動需求即可；如爬坡時長超過電機額定功率允許工作時長，則需根據(jù)考慮增大電機功率區(qū)間以滿足持續(xù)爬坡功率需求。

綜合以上三種工況分析，在不考慮加速阻力的前提下，根據(jù)整車實際營運工況，選定以上一種、兩種或三種工況進行計算，確定整車需求功率、扭矩的下限值，據(jù)此確定整車方案中驅(qū)動電機選型，其功率、扭矩需滿足所選工況最大需求功率及扭矩。變速器需滿足所選工況下分析的扭矩、轉(zhuǎn)速邊界條件，取力器的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率也應能滿足水泵正常工作及適當超速超負荷，即1600r/min下水泵工作的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率需求。

3 結(jié)論

根據(jù)水泵的性能分析及整車實例在不同工況下的需求核算，可知電機、AMT變速器、取力器的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩均會影響到水泵的使用性能與可靠性。純電動環(huán)衛(wèi)車水泵與底盤動力匹配選型及設計需做好不同工況下各動力部件性能參數(shù)匹配設計及選型，同時應根據(jù)實際工況制定相應整車控制邏輯，以避免出現(xiàn)水泵、甚至取力器超轉(zhuǎn)速、超負荷運轉(zhuǎn)，多發(fā)故障，從而嚴重影響整車使用性能與可靠性。

[1] 楊春來.灑水車取力器與水泵的配套應用.[J]專用汽車,2005.

[2] 余志生.汽車理論第5版.[M]機械工業(yè)出版社.2009.

Study on the power matching of EV sanitation vehicles'water pumps and chassis

Yang Hui, Ma Yu, Wang Xu, Li Zhengxian, Li Peng, Kang Wu

( Shaanxi Heavy Duty Automobile CO. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

The study is to find a matching method of electric sanitation vehicle,By analyzing the performance of water pump and calculating the parameter values of EV's electric motors, automated mechanical transmission and power-take-off in different working conditions.

pump; power-take-off; electric motor

A

1671-7988(2018)18-28-03

U469.7

A

1671-7988(2018)18-28-03

CLC NO.: U469.7

楊輝，就職于陜重汽汽車工程研究院新能源所。從事新能源專用車研發(fā)設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.011