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(jī)、自動變速器、取力器動力匹配計(jì)算，研究純電動環(huán)衛(wèi)車水泵與底盤動力匹配設(shè)計(jì)的方法。

水泵；取力器；電機(jī)

前言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，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(diǎn)，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(shè)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(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)行研究，探討純電動環(huán)衛(wèi)車水泵與底盤動力匹配設(shè)計(jì)。

1 水泵的性能分析

水泵的性能參數(shù)包括流量、揚(yáng)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(dǎo)致水泵選型的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yùn)行的重要設(shè)計(jì)因素，這只是灑水車可靠使用的前提條件。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速在±20%范圍內(nèi)變化時，其流量、揚(yáng)程、軸功率、效率的變化關(guān)系如下[1]：

流量比：Q/Q'=n/n'

揚(yáng)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(yáng)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(dāng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）。

當(dāng)選用的取力器速比一定時，其動力源驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)確定。水泵在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，其性能達(dá)到最佳狀態(tài)。當(dāng)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(yīng)的功率與扭矩。當(dāng)車型一定，行走作業(yè)車速一定時,此時對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速確定，取力器速比是一定的，因此對應(yīng)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(yàn)，當(dāng)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(shè)計(jì)

2.1 不同工況下整車動力需求計(jì)算

以某一中型純電動灑水車設(shè)計(jì)方案為例，進(jìn)行底盤動力與水泵匹配分析，其整車主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。汽車底盤以永磁同步電機(jī)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(jìn)行灑水作業(yè)。

表2 整車主要設(shè)計(jì)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(jī)功率：

若變速器在二檔Ig=3.73，后橋速比I0=6.17，電機(jī)對應(yīng)轉(zhuǎn)速n1=1256r/min，取力器對應(yīng)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(yīng)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(jì)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(jì)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(shí)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(shí)際要求水泵轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1500r/min以內(nèi)，對應(yīng)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速不超過1319r/min，才可保證取力器、水泵均不轉(zhuǎn)速、超負(fù)荷運(yùn)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(jī)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(jī)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(jī)額定功率、最大功率關(guān)系。如爬坡時長不超過電機(jī)額定功率允許工作時長，只需電機(jī)最大功率滿足爬坡驅(qū)動需求即可；如爬坡時長超過電機(jī)額定功率允許工作時長，則需根據(jù)考慮增大電機(jī)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(shí)際營運(yùn)工況，選定以上一種、兩種或三種工況進(jìn)行計(jì)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(jī)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(yīng)能滿足水泵正常工作及適當(dāng)超速超負(fù)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(shí)例在不同工況下的需求核算，可知電機(jī)、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(shè)計(jì)需做好不同工況下各動力部件性能參數(shù)匹配設(shè)計(jì)及選型，同時應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況制定相應(yīng)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(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，多發(fā)故障，從而嚴(yán)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(yīng)用.[J]專用汽車,2005.

[2] 余志生.汽車?yán)碚摰?版.[M]機(jī)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(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.011