專用汽車模塊化液壓動(dòng)力總成方案探析

孟憲波 孫強(qiáng)

關(guān)鍵詞：低頻振動(dòng) 動(dòng)平衡 階次

1前言

我國正處在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期，在國家正確的方針指引及政策扶持下，與世界發(fā)達(dá)國家的距離正逐漸縮小。突如其來的疫情，給全世界經(jīng)濟(jì)體帶來了沉重的打擊，然而我國率先做出的一些有效舉措很快克服了疫情，這給我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了很大的空間，實(shí)現(xiàn)了在世界經(jīng)濟(jì)格局中的彎道超車。2020年我國GDP首次突破百萬億。快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)需要有全部行業(yè)的同時(shí)高速發(fā)展，我國基建、運(yùn)輸、工程及制造等行業(yè)作為中堅(jiān)力量功不可沒。一個(gè)國家的發(fā)達(dá)程度不光在于其國內(nèi)GDP總量的高低，一個(gè)重要的指標(biāo)是其自動(dòng)化、機(jī)械化作業(yè)程度的高低，以及對(duì)勞動(dòng)力的解放程度。同時(shí)國家發(fā)展的主要目的是改善人民的生活環(huán)境及提高人民的幸福指數(shù)。因此，我國也推行了大量的惠民政策，其中城鄉(xiāng)環(huán)衛(wèi)一體化的推廣尤為顯著，徹底打破了以前城鄉(xiāng)外貌的差距。當(dāng)然，這一切政策的落地及實(shí)施都離不開機(jī)械化的不斷提升，尤其是專用設(shè)備的支撐。

在我國發(fā)展初期，我國機(jī)械發(fā)展的主要方向是滿足生產(chǎn)的基本需求，很多行業(yè)及工作還需要大量的人力去完成，相對(duì)發(fā)達(dá)國家來說我國專用設(shè)備數(shù)量較低，專用汽車間的差距尤為突出。我國專用汽車起步較晚，到20世紀(jì)80年代中期才形成了獨(dú)立的專用汽車生產(chǎn)經(jīng)營體系，經(jīng)過多年的滾動(dòng)發(fā)展，目前雖然已具有一定的規(guī)模，成為汽車工業(yè)的重要分支。但其品種較少，專用汽車占載貨汽車比例低。目前，發(fā)達(dá)國家專用車保有量已占到載貨運(yùn)輸車保有量的80%以上，而我國則依然在25%的水平線上徘徊。

近幾年我國各類車輛出現(xiàn)爆發(fā)式增長，尤其以乘用車和商用車為代表，2020年我國汽車產(chǎn)銷量居全球第一，產(chǎn)銷量均已超過2500萬輛。隨著車輛數(shù)量的不斷增長，車輛對(duì)環(huán)境造成的影響也越來越嚴(yán)重。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，交通運(yùn)輸行業(yè)產(chǎn)生的尾氣污染占大氣污染的比例已高達(dá)26%。在我國積極倡導(dǎo)碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)下，降低車輛尾氣污染排放是我國車輛未來發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2我國專用汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

我國專用汽車整體設(shè)計(jì)水平較美、德、日等發(fā)達(dá)國家還有很大的差距，可靠性及經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較低，尤其是在機(jī)、電、氣、液一體化、自動(dòng)化及智能化技術(shù)應(yīng)用方面。加上國內(nèi)機(jī)械制造企業(yè)水平參差不齊，部分小企業(yè)自主研發(fā)能力較低，只能在產(chǎn)品上進(jìn)行低端的模仿及仿制，造成了專用車相對(duì)于乘用車、商用車市場更為混亂的局面。很多功能單一、簡單組合的專用車的出現(xiàn)，無形之中造成了大量的資源浪費(fèi)，制約了我國專用車行業(yè)的發(fā)展。

隨著國家對(duì)專用車市場的規(guī)范及一系列的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)的出臺(tái)，專用車的發(fā)展慢慢規(guī)范起來，同時(shí)國內(nèi)各大企業(yè)相繼參與到這個(gè)行業(yè)中，市場競爭發(fā)展的良好態(tài)勢開始呈現(xiàn)，近幾年專用車的銷量也在穩(wěn)步增長。其中2020年我國專用車市場銷量達(dá)到了165.1萬輛，同比提升了24.9%（圖1）。通過圖1可以看出，我國專用車的種類占比偏斜嚴(yán)重，物流車占整個(gè)專用車份額高達(dá)75%。這主要是因?yàn)槲锪鬈囍圃扉T檻低，不需要底盤與上裝協(xié)同作業(yè)，上裝的制作技術(shù)低，因此整車成本較低，用戶的認(rèn)可度較高。但是，我國工程、建筑、公路及城鄉(xiāng)的快速發(fā)展，需要大量的工程與作業(yè)車輛的支撐。如圖2所示，工程車中目前占比最大的是攪拌車，這種車輛主要服務(wù)于城市建筑的建造。

3專用汽車上裝動(dòng)力源及控制方式

工程類車輛及作業(yè)類車輛的上裝都需要有大量的動(dòng)力去滿足特種工作的需求，例如環(huán)衛(wèi)車、攪拌車、消防車、隨車起重機(jī)等車輛，要求上裝必須有充足的動(dòng)力來源，既能實(shí)現(xiàn)整車的快速轉(zhuǎn)場，又能實(shí)現(xiàn)車輛的特殊作業(yè)功能。目前此類車輛上裝動(dòng)力來源主要有以下幾種方式。

3.1上裝動(dòng)力源

3.1.1取力于底盤動(dòng)力

這種方式主要是通過發(fā)動(dòng)機(jī)取力方式或者變速箱的取力方式，還有在底盤變速箱到后橋之間采用斷軸加分動(dòng)箱的取力方式。如表1所示，每種取力方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用的車型。

通過表1可以看出現(xiàn)有的取力方式有多種多樣，可以滿足各類車輛的使用，然而此類取力方式的動(dòng)力源尋其根源還是來自于底盤發(fā)動(dòng)機(jī)，因此底盤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)于上裝的作業(yè)有著較大的影響。通過變速箱開口取力的方式，會(huì)受到離合器狀態(tài)的影響，因此對(duì)于需要持續(xù)性穩(wěn)定作業(yè)的車輛來說受到很大的限制。分動(dòng)箱式的取力方式可以提供多個(gè)取力接口，裝有多個(gè)取力泵，為復(fù)雜的上裝作業(yè)提供更多的動(dòng)力，然而分動(dòng)箱本身也是需要離合控制的，這就使得作業(yè)時(shí)的駕駛很繁瑣。

3.1.2單獨(dú)動(dòng)力源

近年來，國內(nèi)眾多種類專用車蓬勃發(fā)展，例如洗掃車、抑塵車、高壓清洗車等環(huán)境清潔類車輛。這類車輛上裝需求功率較大，并且需要持續(xù)穩(wěn)定的作業(yè)，上述所說的底盤取力的方式就不適用于此類車輛。因此，上裝各種獨(dú)立的動(dòng)力單元被應(yīng)用到車輛中，目前常見的專用車獨(dú)立動(dòng)力源方式及其特點(diǎn)如表2所示。

通過上述方案介紹，雖然上裝作業(yè)受底盤發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器影響的問題得到解決，但是因加裝動(dòng)力源帶來的問題更加難以解決。

3.2控制方式

專用汽車的控制方式也是多種多樣，同一類車同一種車型的控制方式不同廠家各不相同，統(tǒng)一性較差，控制方式及原理也各不相同，這就給使用、維護(hù)及可替換性造成了很大的困難。目前專用車的控制方式大致可分為以下幾種形式：

a.手動(dòng)機(jī)械式控制：采用推拉鎖、推拉桿及其他連桿機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動(dòng)上裝多路閥，以實(shí)現(xiàn)上裝的作業(yè)動(dòng)作。這種控制方式成本較低，但是整車布置較為復(fù)雜，沒有邏輯控制，智能化較低。

b.上裝獨(dú)立電控：上裝安裝有單獨(dú)的控制單元，在駕駛室內(nèi)單獨(dú)裝有控制器，但是與底盤沒有交集。這種控制方式操作方便，上裝可加裝各種邏輯控制，防止出現(xiàn)操作失誤造成的危險(xiǎn)。但是需要單獨(dú)加裝控制單元，并且與底盤無法聯(lián)合控制，無法實(shí)現(xiàn)底盤與上裝的協(xié)同。

在對(duì)現(xiàn)在專用車市場動(dòng)力源及取力方式的介紹后不難發(fā)現(xiàn)，雖然目前眾多專用車都有自己的取力方式及動(dòng)力控制方式，但是卻造成了市場的混亂以及資源的浪費(fèi)。

4模塊化液壓動(dòng)力總成方案

針對(duì)目前專用車市場存在的上述系列問題，我們可以看出，專用汽車的幾大模塊分為動(dòng)力源、控制單元模塊、上裝液壓模塊、底盤行走模塊，其核心問題在于這幾個(gè)重要的模塊無法完成有效的統(tǒng)一，各個(gè)模塊獨(dú)立作業(yè)，資源分散、浪費(fèi)。為解決上述問題，本文提出了模塊化液壓動(dòng)力總成方案。

針對(duì)上裝作業(yè)動(dòng)作相對(duì)較為簡單，上裝所需作業(yè)功率較低的專用汽車，我們采取了液壓動(dòng)力總成方案：液壓泵直接從底盤飛輪殼上取力，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU集成控制底盤發(fā)動(dòng)機(jī)與上裝液壓動(dòng)力源件液壓泵，根據(jù)上裝作業(yè)功率的需求選擇合適的變量液壓泵。在底盤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU會(huì)即刻調(diào)整液壓泵的排量，來保證上裝的穩(wěn)定作業(yè)。例如，攪拌車可以很好地使用此方案，徹底解決攪拌車在運(yùn)輸過程中罐體轉(zhuǎn)速受底盤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響而出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題。

需要駐車作業(yè)類的專用汽車也非常得多，例如隨車起重機(jī)，上述方案同樣適合這類車輛。這類車輛在駐車作業(yè)時(shí)多為怠速作業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不在油耗經(jīng)濟(jì)區(qū)，如圖3所示。使用上述方案，在操作人員發(fā)出作業(yè)命令時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU會(huì)即刻提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到油耗經(jīng)濟(jì)區(qū)，調(diào)控液壓泵排量來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的作業(yè)。這樣不僅降低了作業(yè)油耗，還能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫，解決DPF再生問題，降低排放污染。

對(duì)于許多專用車?yán)缦磼哕?、高壓清洗車等清潔類車輛來說，上裝作業(yè)時(shí)需求功率較大，同時(shí)又要行車作業(yè)，這類車輛對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速更為敏感。在上述方案的基礎(chǔ)上根據(jù)車型需求做了更好的優(yōu)化，即底盤發(fā)動(dòng)機(jī)通過變速箱向外輸出動(dòng)力，在變速箱與后橋之間傳動(dòng)軸斷軸加裝分動(dòng)箱。在上裝不作業(yè)時(shí)，分動(dòng)箱連通前后傳動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)后橋、底盤正常行走。當(dāng)上裝作業(yè)時(shí)，前后傳動(dòng)軸不再通過分動(dòng)箱直接連動(dòng)。分動(dòng)箱有多個(gè)接口，可以為多個(gè)液壓泵提供動(dòng)力，其中液壓泵1在上裝作業(yè)時(shí)用來驅(qū)動(dòng)底盤行走，液壓泵2用來為上裝提供動(dòng)力，而發(fā)動(dòng)機(jī)ECU可以實(shí)時(shí)捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)兩個(gè)變量液壓泵的排量進(jìn)行調(diào)控，這樣既保證了操作人員對(duì)車速的要求，又保證了上裝作業(yè)的穩(wěn)定性。如此實(shí)現(xiàn)了上裝作業(yè)與底盤行走的完全解耦，并且保證了底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率的高利用率。

5結(jié)語

本文所提出的方案對(duì)于專用汽車適用度高，能夠同時(shí)適用于行車作業(yè)和駐車作業(yè)的專用設(shè)備。該方案的特點(diǎn)在于發(fā)動(dòng)機(jī)ECU能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)用戶需求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及上裝作業(yè)的液壓泵進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，達(dá)到上裝穩(wěn)定作業(yè)、底盤行走速度可隨意變化的效果。同時(shí)，在作業(yè)過程中還能提升發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在油耗經(jīng)濟(jì)區(qū)，不僅降低了作業(yè)油耗，還能提升發(fā)動(dòng)機(jī)排溫.很好地解決了國Ⅵ車型低轉(zhuǎn)速作業(yè)時(shí)DPF再生問題。專用汽車的發(fā)展還需要經(jīng)過漫長的道路，需要更加適用、先進(jìn)的技術(shù)注入，技術(shù)需要持續(xù)性改進(jìn)才能得以快速發(fā)展。