純電動(dòng)攪拌車攪拌驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

魏文義 田娟 程龍

摘要：純電動(dòng)攪拌車配備有兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)，一套用于驅(qū)動(dòng)底盤行駛，另一套用于驅(qū)動(dòng)攪拌罐，所以整車成本較高。為有效降低其成本，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路——采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)攪拌罐。此方案可以減少一套驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛行駛和攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)，從而降低整車成本。此方案需要解決的技術(shù)難點(diǎn)是攪拌系統(tǒng)取力方式的調(diào)整及車輛停車等待、倒車時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的改變對(duì)攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)坞姍C(jī)驅(qū)動(dòng)；技術(shù)難點(diǎn)；對(duì)攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)的影響

中圖分類號(hào)：U462? 收稿日期：2024-03-06

DOI：1019999/jcnki1004-0226202406013

1 前言

現(xiàn)有純電動(dòng)混凝土攪拌車需要配置兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)車輛行駛，另外一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)獨(dú)立控制，互相不干涉。其缺點(diǎn)是需要兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，導(dǎo)致車輛的成本較高。純電動(dòng)攪拌車受三電系統(tǒng)成本的影響，整車成本較普通燃油車高出一倍左右，用戶接受度很低，尤其在當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，低成本優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)純電動(dòng)攪拌車的影響更加重要，直接決定純電動(dòng)攪拌車產(chǎn)品未來市場(chǎng)占有率。

為有效降低純電動(dòng)混凝土攪拌車的整車成本，筆者提出了一種新的設(shè)計(jì)思路——將燃油攪拌車的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用到純電動(dòng)攪拌車上并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛行駛和攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)。此方案需要解決的技術(shù)難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)攪拌罐不間斷取力，如何實(shí)現(xiàn)停車等待時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)對(duì)攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)的影響，如何實(shí)現(xiàn)倒車時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)對(duì)攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)的影響。

2 柴油與純電動(dòng)攪拌車攪拌罐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)比分析

21 現(xiàn)有柴油混凝土攪拌車攪拌罐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

柴油混凝土攪拌運(yùn)輸車攪拌罐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大多采用閉式液壓系統(tǒng)，由雙向變量泵、液壓馬達(dá)、換向閥、溢流閥、冷卻器、過濾器等組成。圖1為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖[1]。通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的全功率取力器帶動(dòng)雙向變量泵輸入動(dòng)力，由液壓馬達(dá)帶動(dòng)減速機(jī)再驅(qū)動(dòng)攪拌罐轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌罐轉(zhuǎn)速的改變是通過調(diào)節(jié)雙向變量泵斜盤的角度來實(shí)現(xiàn)的，攪拌罐轉(zhuǎn)向的改變是通過調(diào)節(jié)換向閥來實(shí)現(xiàn)的。補(bǔ)油泵一路通過兩個(gè)單向閥向主回路低壓區(qū)補(bǔ)油，一路與換向閥相通，還有一路經(jīng)補(bǔ)油溢流閥進(jìn)入雙向變量泵殼體，再經(jīng)散熱器流回油箱。兩個(gè)高壓溢流閥可以防止主回路任何一個(gè)方向超載時(shí)損壞泵和馬達(dá)。梭形閥確保工作時(shí)給主回路低壓區(qū)提供一個(gè)溢流通道，并由補(bǔ)油溢流閥保持低壓區(qū)壓力，同時(shí)也使其溢流油經(jīng)液壓馬達(dá)、雙向變量泵殼體進(jìn)入冷卻油路。

22 現(xiàn)有純電動(dòng)攪拌車攪拌罐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，現(xiàn)有純電動(dòng)攪拌車由兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)，一套用于驅(qū)動(dòng)底盤行駛，另一套用于攪拌罐的獨(dú)立控制。兩個(gè)電機(jī)分別由各自的控制器進(jìn)行控制。兩個(gè)控制器間有信號(hào)傳輸，用于整車控制器接收攪拌系統(tǒng)相關(guān)信息，并發(fā)出指令閉合或斷開攪拌系統(tǒng)供電繼電器，并向攪拌系統(tǒng)控制器發(fā)出“工作使能”或“禁止使能”命令，以實(shí)現(xiàn)按需求控制攪拌系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)操作。

3 純電動(dòng)攪拌車攪拌系統(tǒng)改進(jìn)方案

筆者對(duì)純電動(dòng)攪拌車改進(jìn)方案為：將燃油攪拌車的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用到純電動(dòng)攪拌車上并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)單電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛行駛和攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)此方案的技術(shù)難點(diǎn)及解決方法如下。

31 攪拌罐不間斷取力的實(shí)現(xiàn)

柴油攪拌車取力器位于發(fā)動(dòng)機(jī)上，屬于全功率取力器。該取力方式全程無動(dòng)力中斷，攪拌罐可以隨發(fā)動(dòng)機(jī)一起常轉(zhuǎn)，能有效防止混凝土因攪拌中斷而異常凝固，造成悶罐。

純電動(dòng)攪拌車若采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)攪拌罐，首先要解決的問題是從何處取力，其次是如何實(shí)現(xiàn)無間斷取力，以保證攪拌罐連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。為解決此問題，將取力器設(shè)置于自動(dòng)變速箱雙中間軸軸端，如圖3所示，由于雙中間軸隨變速箱輸入軸常轉(zhuǎn)，而輸入軸與驅(qū)動(dòng)電機(jī)直連，這樣就可以保證攪拌罐隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

另外還要根據(jù)攪拌罐的空、滿載功率需求及轉(zhuǎn)速需求，自動(dòng)變速箱的中間軸轉(zhuǎn)速范圍，對(duì)取力器速比及液壓油泵的轉(zhuǎn)速及輸出壓力進(jìn)行校核選取，以保證攪拌罐在裝料、行駛、停車等待、強(qiáng)制攪拌、卸料等工況下的扭矩及轉(zhuǎn)速需求。具體選取方法可參考相關(guān)文獻(xiàn)[2]。

32 停車等待時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)對(duì)攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)的影響

攪拌車路遇紅燈及在工地卸料前一般都需要停車等待，在等待過程中攪拌罐需要保持運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油車在等待時(shí)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)保持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)來保證攪拌罐連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。而當(dāng)前純電動(dòng)攪拌車的控制邏輯是在停車狀態(tài)下，底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，以減少電能消耗，攪拌罐的運(yùn)轉(zhuǎn)通過攪拌罐驅(qū)動(dòng)電機(jī)來單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。如果取消攪拌罐驅(qū)動(dòng)電機(jī)，改由底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)攪拌罐，當(dāng)車輛停車等待時(shí)，底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)就必須保持怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，不能停機(jī)。為實(shí)現(xiàn)此功能，整車行駛的控制邏輯需要按圖4所示進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

車輛行駛過程中，自動(dòng)變速箱在D擋某一擋位工作，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)主傳動(dòng)軸和取力器，以保持車輛行駛和攪拌罐轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)車輛遇紅燈需要停車等待時(shí)，駕駛員松開油門踏板，踩下制動(dòng)踏板，車輛開始降速，制動(dòng)能量回收功能啟動(dòng)，攪拌罐轉(zhuǎn)速也隨之下降。當(dāng)攪拌罐轉(zhuǎn)速下降到最低允許轉(zhuǎn)速時(shí)，車速下降到N，驅(qū)動(dòng)電機(jī)也有一個(gè)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n，控制系統(tǒng)將此轉(zhuǎn)速設(shè)定為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速限值，當(dāng)整車控制器檢測(cè)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于此限值n，且車輛行駛速度小于N時(shí)，整車控制器先發(fā)送指令，關(guān)閉制動(dòng)能量回收功能，然后發(fā)送指令給自動(dòng)變速箱，使其臨時(shí)置空擋，斷開與主傳動(dòng)軸的聯(lián)接（此時(shí)變速箱換擋器仍置于D擋位置），然后再輸出指令給驅(qū)動(dòng)電機(jī)使其以一個(gè)≥n的恒定轉(zhuǎn)速怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。此控制狀態(tài)一直保持，且不受制動(dòng)踏板信號(hào)變化、駐車制動(dòng)信號(hào)變化和自動(dòng)變速箱換擋器擋位變化的影響，直到有油門變化信號(hào)輸入時(shí)，如果整車控制器檢測(cè)到有加速油門信號(hào)輸入，且駐車制動(dòng)信號(hào)未解除，則自動(dòng)變速箱仍保持臨時(shí)空擋狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)則不再怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，而是隨油踏板的控制而調(diào)整，以便于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制攪拌等功能。如果整車控制器在檢測(cè)到油門變化信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)到駐車制動(dòng)信號(hào)已解除，則發(fā)指令給自動(dòng)變速箱，解除其臨時(shí)空擋狀態(tài)，使其與主傳動(dòng)軸連接，同時(shí)由油門控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。如果在停車過程中手動(dòng)將變速箱由D擋置于空擋位置，并不影響臨時(shí)置空信號(hào)，即不影響車輛停車運(yùn)行狀態(tài)。但在車輛啟動(dòng)行駛時(shí)需手動(dòng)將變速箱置于D擋位置。

自動(dòng)變速箱臨時(shí)置空控制方法如圖5所示。當(dāng)變速箱控制器TCU無臨時(shí)置空請(qǐng)求信號(hào)輸入時(shí)，其按操縱手柄輸入的信號(hào)執(zhí)行命令。當(dāng)有置N信號(hào)輸入時(shí)，TCU從內(nèi)部切斷操縱手柄輸入信號(hào)，并接通N擋信號(hào)，在操縱手柄不動(dòng)作的情況下使變速箱置于N擋位置，切斷變速箱與主傳動(dòng)軸的動(dòng)力傳輸，變速箱與取力器的動(dòng)力傳輸仍保持。當(dāng)駕駛員踩下油門踏板，TCU接收置D信號(hào)，退出臨時(shí)置空狀態(tài)，并接收操縱手柄的信號(hào)輸入控制變速箱擋位。

如上所述，在整車運(yùn)行過程中，由于取力器始終處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，這就保證了攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)不間斷。當(dāng)作業(yè)結(jié)束需要停車休班時(shí)，先按上述步驟使車輛停車，變速箱置N擋、拉起駐車制動(dòng)，然后手動(dòng)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)即可。車輛啟動(dòng)時(shí)駕駛員手動(dòng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，攪拌罐便一起開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

33 倒車時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)對(duì)攪拌罐運(yùn)轉(zhuǎn)的影響

首先，攪拌罐只有在卸料時(shí)才反轉(zhuǎn)，其他工況下（如裝料、行駛、停車等待、倒車）都需要正向旋轉(zhuǎn)，且需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)，不能中斷。其次，柴油車通過發(fā)動(dòng)機(jī)取力，倒車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)旋向不改變，不影響液壓油泵的轉(zhuǎn)向。而電動(dòng)汽車的行車和倒車是通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來實(shí)現(xiàn)的，與變速箱取力器相連的液壓油泵的轉(zhuǎn)向取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)車輛倒車時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，液壓油泵的轉(zhuǎn)向會(huì)隨之改變，這會(huì)導(dǎo)致液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)向改變，從而帶動(dòng)攪拌筒反轉(zhuǎn)，而攪拌筒在非卸料工況下是不允許反轉(zhuǎn)的。如果要想利用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)攪拌罐，就必須使液壓油泵的轉(zhuǎn)向不受電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的影響。

為解決此問題，筆者設(shè)計(jì)了一套液壓系統(tǒng)，如圖6所示，雙向液壓泵的第一油口分別與單向閥1的出油口和電磁閥1的第一油口連接，雙向液壓泵的第二油口分別與單向閥2的出油口和電磁閥2的第一油口連接，電磁閥1的第二油口和電磁閥2的第二油口均與換向閥的進(jìn)油口P連接，單向閥1的進(jìn)油口、單向閥2的進(jìn)油口、換向閥出油口T均與液壓油箱相聯(lián)通，液壓馬達(dá)的第一油口與換向閥出油口A連接，液壓馬達(dá)的第二油口與換向閥回油口B連接。

當(dāng)取力器隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，控制電磁閥1打開，控制電磁閥2關(guān)閉，壓油箱中的液壓油依次經(jīng)過單向閥2、雙向液壓泵和電磁閥1進(jìn)入換向閥進(jìn)油口P。當(dāng)取力器隨驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，控制電磁閥1關(guān)閉，控制電磁閥2打開，液壓油箱中的液壓油依次經(jīng)過單向閥1、雙向液壓泵和電磁閥2進(jìn)入換向閥的進(jìn)油口P。由此，無論驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，液壓油在雙向液壓泵的作用下均會(huì)流入換向閥的進(jìn)油口P，這樣驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的改變就不會(huì)影響攪拌罐的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。即車輛前進(jìn)和倒車都不會(huì)影響攪拌罐的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。攪拌罐需要反轉(zhuǎn)卸料時(shí)，只需操作換向閥切換液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向即可。

在圖6所示的液壓系統(tǒng)中，也可以如圖1所示增加高、低壓溢流回路和補(bǔ)油回路，以提高液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過采取上述技術(shù)方案，可以使純電動(dòng)攪拌車的操作方式與柴油攪拌車的操作方式基本相同，這樣就不會(huì)影響駕駛員的操作習(xí)慣。

4 純電動(dòng)攪拌車攪拌系統(tǒng)改進(jìn)效果

通過上述方式將純電動(dòng)攪拌車攪拌罐區(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)改為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使整車成本單臺(tái)下降12萬元左右（表1）。

表1 攪拌罐純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本對(duì)比

[攪拌罐純電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)? 攪拌罐液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)??? 零部件名稱??? 價(jià)格，元?????? 零部件名稱??? 價(jià)格，元?????? EV500電機(jī)及控制器?????? 21 000??? 液壓泵總成A10VGT090????? 8 000????? 液壓馬達(dá)總成A2FMT090??? 液壓進(jìn)油管??? 液壓回油管??? QH50變速箱取力器?????? 1 000????? 合計(jì)?????? 21 000?????????? 9 000????? 差價(jià)???????????????????? -12 000?? ]

另外，現(xiàn)有純電動(dòng)攪拌車都配備后背動(dòng)力電池，如圖7所示，動(dòng)力電池在整車長(zhǎng)度方向上占據(jù)900 mm左右的空間，相比燃油車改裝空間小了900 mm左右，同時(shí)整備質(zhì)量增加了2～3 t左右，在受整車長(zhǎng)度和整車總質(zhì)量及載質(zhì)量利用系數(shù)限制的情況下，攪拌罐的容積受到較大壓縮，運(yùn)輸效率明顯下降。所以純電動(dòng)攪拌車對(duì)改裝空間的要求更高。用體積較小的液壓馬達(dá)取代體積較大的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，會(huì)使改裝空間相對(duì)增大，提升改裝便利性，提升運(yùn)輸效率。

同時(shí)，在采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌罐時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)體積較大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與動(dòng)力電池間的空間很小，如圖7所示，維修空間不足。當(dāng)攪拌車在工作過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)故障需要應(yīng)急救援時(shí)，不能在短時(shí)間內(nèi)打開驅(qū)動(dòng)電機(jī)并連接外接驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)攪拌罐，會(huì)造成“悶罐”，使攪拌罐報(bào)廢，造成巨大損失。改用液壓馬達(dá)后，維修空間顯著增大，而且在出現(xiàn)故障時(shí)，可在短時(shí)間連接外接驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)攪拌罐，防止悶罐。

5 結(jié)語

在對(duì)比分析了純電動(dòng)攪拌車和柴油攪拌車的攪拌驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后，在純電動(dòng)攪拌車上采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)攪拌罐，并對(duì)取力方式、車輛運(yùn)行控制方式、液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，使純電動(dòng)攪拌在采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)攪拌罐后，其整車操作方式與柴油攪拌車的操作方式基本相同，這樣就不會(huì)影響駕駛員的操作習(xí)慣。

純電動(dòng)攪拌車采用此改進(jìn)方案后，不僅可以降低整車成本，還可有效改善其改裝便利性及提升運(yùn)輸效率，改善其維修便利性，減少悶罐情況的發(fā)生。

另外上述方案中整車行駛的控制方案及液壓系統(tǒng)改進(jìn)方案也可以應(yīng)用到其他純電動(dòng)專用車上，以解決車輛停車等待及倒車時(shí)對(duì)上裝液壓系統(tǒng)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡應(yīng)強(qiáng)混凝土攪拌輸送車液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]橋梁機(jī)械與施工技術(shù)，2025（11）：44-46.

[2]魏雪玲，徐展混凝土攪拌運(yùn)輸車傳動(dòng)系統(tǒng)選型分析[J]商品混凝土，2016（8）：65-66.

作者簡(jiǎn)介：

魏文義，男，1972年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉摧d貨汽車設(shè)計(jì)。