電動(dòng)清掃車輛動(dòng)力系統(tǒng)研究

摘? 要：清掃車作為眾多生活垃圾處理車中的一種，在當(dāng)前已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。我國在“十二五”規(guī)劃中明確提出“節(jié)能減排”要求，汽車行業(yè)的戰(zhàn)略重點(diǎn)向著新能源汽車方向不斷發(fā)展。作為新能源汽車的急先鋒，電動(dòng)汽車無疑被社會(huì)各界給予了厚望，當(dāng)前新能源車輛逐漸的在清掃車輛中得到應(yīng)用。基于此，對(duì)電動(dòng)清掃車開展研究具有重要意義，本文主要分析了電動(dòng)清掃車輛動(dòng)力系統(tǒng)，研究在主副電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走模式下，清掃車輛雙驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)，以期為電動(dòng)清掃車輛動(dòng)力系統(tǒng)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)清掃車輛;動(dòng)力系統(tǒng);分析

中圖分類號(hào)：U469.691? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）02-0000-00

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，各地區(qū)公共場所大量增加，這導(dǎo)致環(huán)境清掃工作日趨繁重。當(dāng)前我國的環(huán)衛(wèi)清掃工作與發(fā)達(dá)國家相比，機(jī)械自動(dòng)化程度低，甚至部分地區(qū)還停留在依靠“一把掃帚”的工作模式。因此，未來環(huán)衛(wèi)清掃工作的發(fā)展趨勢必然是以機(jī)械化程度較高的清掃設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工。清掃車輛作為一種新型的高效清掃設(shè)備，在許多城市已經(jīng)成為日常環(huán)境清掃的主力軍，清掃車經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)從單一的清掃模式發(fā)展到多種形式共存的發(fā)展模式?；趧?dòng)力系統(tǒng)不同，能夠?qū)⑶鍜哕囕v分成純電動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī)模式、混合動(dòng)力模式等。

1 電動(dòng)清掃車輛動(dòng)力系統(tǒng)

1.1 單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

在清掃車輛的動(dòng)力系統(tǒng)中，單電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主要是采用單電機(jī)來驅(qū)動(dòng)車輛，進(jìn)行日常的作業(yè)和行走，其電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力是利用機(jī)械傳動(dòng)裝置，將動(dòng)力傳遞給作業(yè)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，該動(dòng)力系統(tǒng)主要應(yīng)用于行駛道路較為平穩(wěn)的中小型電動(dòng)清掃車輛。該驅(qū)動(dòng)模式的清掃車輛的動(dòng)力系統(tǒng)主要采用機(jī)械傳動(dòng)[1]。研究發(fā)現(xiàn)作業(yè)系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速兩者之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。清掃車輛在該作業(yè)系統(tǒng)下對(duì)于清掃車的工作效率將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，尤其是清掃車輛在復(fù)雜的路況進(jìn)行作業(yè)和行走時(shí)，對(duì)于清掃效果影響更大，再加上分動(dòng)裝置復(fù)雜，所以如果受到撞擊或是震動(dòng)時(shí)，將會(huì)非常容易損壞，難以保證其可靠性[2]。

1.2 主、副電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)

清掃車輛中的作業(yè)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)分別由主、副電機(jī)的電力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，主電動(dòng)機(jī)是為了驅(qū)動(dòng)車輛行走，車輛的作業(yè)系統(tǒng)專門配備電機(jī)，用以驅(qū)動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)開展清掃工作。因此，車輛的主電機(jī)與副電機(jī)之間，分別驅(qū)動(dòng)車輛的行走系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)，清掃車輛的兩個(gè)系統(tǒng)之間互相獨(dú)立，互不影響。如圖1所示的主、副電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)模式下的清掃車動(dòng)力系統(tǒng)。

1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)

在非清掃狀態(tài)下，當(dāng)電動(dòng)清掃車以最高速度行駛時(shí)，忽略坡道阻力和加速阻力得到電動(dòng)清掃車功率平衡方程如下：

式中，是最高車速行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，G是整車總重，f是滾動(dòng)阻力系數(shù)，是風(fēng)阻系數(shù)，A是迎風(fēng)面積，是清掃車車速。通過計(jì)算得到電動(dòng)清掃車在滿載時(shí)以最高車速行駛時(shí)，作業(yè)電機(jī)的額定功率為：。

當(dāng)電動(dòng)清掃車以某一恒定低速度爬坡時(shí)，忽略空氣阻力和加速阻力，得到電動(dòng)清掃

車功率平衡方程如下：

式中，是低速爬坡時(shí)的功率，i是道路坡度。通過計(jì)算得到電動(dòng)清掃車在滿載時(shí)以恒定低速洲爬坡度的坡時(shí)，作業(yè)電機(jī)的額定功率為。電動(dòng)清掃車的行駛驅(qū)動(dòng)電機(jī)，額定功率為4.0，額定轉(zhuǎn)速為2000，最高轉(zhuǎn)速為3800。

2 電動(dòng)清掃車輛的使用

清掃車的使用工況可分為行走工況和作業(yè)行駛工況兩種。一輛電動(dòng)清掃車，每天的車速隨時(shí)間變化。對(duì)曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)可知，在清掃車開展日常行走過程中，其車輛的行駛速度大約在30～60km/h，最高在70km/h，因此，為了滿足電動(dòng)清掃車輛在日常行走時(shí)的需求，電動(dòng)機(jī)的高效區(qū)需要選擇在高速區(qū)。但是因?yàn)樵谧鳂I(yè)行駛工況時(shí)，電動(dòng)清掃車的車速平均為14.2km/h，而此時(shí)的車輛行駛工況在電機(jī)低速區(qū)。所以，如果采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)，將會(huì)出現(xiàn)電動(dòng)清掃車輛動(dòng)力系統(tǒng)無法同時(shí)兼顧行走和作業(yè)的情況[3]。

3 主副電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走模式下，清掃車輛雙驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)

通過分析上述情況，對(duì)一種新的電動(dòng)清掃車輛的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分析。

3.1 動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)成

電動(dòng)清掃車輛的動(dòng)力系統(tǒng)的行走電機(jī)以及作業(yè)電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)著作業(yè)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)，同時(shí)還在車輛中增加了分動(dòng)箱。其主要目的是為了在車輛作業(yè)電機(jī)休息時(shí)，可以通過耦合裝置將行走電機(jī)和作業(yè)電機(jī)的動(dòng)力進(jìn)行耦合。以此來共同驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)，使得電動(dòng)清掃車輛的行走速度得到良好提升。電動(dòng)清掃車輛的控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)兩臺(tái)電機(jī)，使電動(dòng)清掃車輛能夠具備同時(shí)行走和作業(yè)能力。當(dāng)選擇清掃車輛的電機(jī)時(shí)，其行走電機(jī)只需滿足日常作業(yè)時(shí)的低檔車速即可。如果電動(dòng)清掃車輛處于純行走狀態(tài)下，那么高擋車速的動(dòng)力差可以利用作業(yè)電機(jī)來進(jìn)行補(bǔ)充，因此行走電機(jī)使用較小的電機(jī)，這樣成本會(huì)更低，如圖2所示：

該清掃車輛在作業(yè)模式下，分動(dòng)箱不會(huì)選擇從作業(yè)電機(jī)中取力，在此模式下，力傳遞裝置將會(huì)關(guān)閉，此時(shí)作業(yè)電機(jī)會(huì)帶動(dòng)電動(dòng)清掃車輛的作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行工作。行走電機(jī)帶動(dòng)行走系統(tǒng)進(jìn)行行走。所以，該電動(dòng)清掃車輛的兩個(gè)系統(tǒng)在此時(shí)呈現(xiàn)出獨(dú)立狀態(tài)，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)作。在行走模式下，作業(yè)系統(tǒng)會(huì)停止工作。分動(dòng)箱取出作業(yè)電機(jī)的動(dòng)力后，電動(dòng)清掃車輛會(huì)通過耦合裝置與行走電機(jī)相耦合，并利用變速箱促使行走系統(tǒng)開展行走[4]。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

電動(dòng)清掃車輛動(dòng)力系統(tǒng)采取齒輪箱的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。作業(yè)電機(jī)的14分動(dòng)箱齒輪呈現(xiàn)為連接狀態(tài)，13分動(dòng)箱齒輪、2分動(dòng)箱齒輪以及4、11分動(dòng)箱兩輸出軸則是通過軸承來進(jìn)行連接，11分動(dòng)箱輸出軸、5耦合裝置齒輪則是利用耦合7齒輪來進(jìn)行連接，利用離合器驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)。除此之外，該電動(dòng)車輛的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，還包含了潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、軸承以及密封等，以此來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)清掃車輛的眾多系統(tǒng)功能。

3.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略

如圖4所示，該圖是搭載本動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)清掃車輛系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)可以將其分為控制系統(tǒng)子系統(tǒng)、能量供給子系統(tǒng)以及電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)。其中的電力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)是該電動(dòng)清掃車輛的動(dòng)力系統(tǒng)中的核心部件，其主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電子控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)裝置、功率轉(zhuǎn)換器等部件組成。而本動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略，則是以原有的控制策略為基礎(chǔ)，清掃車的控制單元VCU要控制作業(yè)電機(jī)的行走和行走電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來使兩者之間能夠匹配，實(shí)現(xiàn)其耦合后，來驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)。該控制方法已成為當(dāng)前新能源汽車控制策略中的一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)。除此之外，VCU除了可以依據(jù)駕駛員的駕駛意圖，將動(dòng)力電池中的能量向電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的作業(yè)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，還可以在電動(dòng)清掃制動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，本文對(duì)電動(dòng)清掃車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，并介紹一種新型動(dòng)力系統(tǒng)。該新型動(dòng)力系統(tǒng)在以往的電動(dòng)清掃車輛的動(dòng)力系統(tǒng)下增加分動(dòng)箱，在不作業(yè)時(shí)將動(dòng)力取出，并通過耦合裝置將行走電機(jī)和作業(yè)電機(jī)動(dòng)力進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)行走系統(tǒng)的共同驅(qū)動(dòng)。在該電動(dòng)清掃車輛的動(dòng)力系統(tǒng)中，行走電機(jī)只需滿足車輛的低車速工況，而在車輛進(jìn)行高速行走時(shí)，可以利用作業(yè)電機(jī)補(bǔ)充動(dòng)力差，相較于已有電動(dòng)清掃車輛的動(dòng)力系統(tǒng)，該新型動(dòng)力系統(tǒng)更加易于實(shí)現(xiàn)，且總成本更低。

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收稿日期：2020-01-06

作者簡介：石銀宏（1999—），男，寧夏石嘴山人，本科在讀，研究方向：車輛工程。