一種純電動桶裝垃圾運(yùn)輸車尾板液壓系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)

魏明剛，秦付華，譚 貞，彭柳柳

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

來自作者所在公司的新產(chǎn)品基于新能源貨車底盤的純電動桶裝垃圾運(yùn)輸車開發(fā)項(xiàng)目，該產(chǎn)品同時具備純電動汽車的特點(diǎn)：采用先進(jìn)的鋰離子動力電池組作為儲能裝置，能量密度高、使用壽命長，大大降低車輛的綜合使用成本，而且車輛運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)零排放；與傳統(tǒng)內(nèi)燃動力汽車相比，采用液冷永磁同步電機(jī)系統(tǒng)作為能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，調(diào)速范圍寬，扭矩及過載能力強(qiáng)，電機(jī)不會“熄火”；車輛起步平順，換檔操作簡單，車輛運(yùn)行時的噪聲低，轉(zhuǎn)換效率大幅度提高；采用隔離式DC/DC轉(zhuǎn)化器取代了14 V發(fā)電機(jī)，效率提高，且整車絕緣有保障，具有高效、節(jié)能、無污染、低噪音、使用成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。純電動桶裝垃圾運(yùn)輸車結(jié)合五菱電動貨車底盤的相關(guān)性能及產(chǎn)品特性開展液壓尾板的研究工作，主要內(nèi)容包括：尾板液壓系統(tǒng)的設(shè)計、升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計、大板的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，在保證產(chǎn)品關(guān)鍵性能的基礎(chǔ)上，縮短了產(chǎn)品的制造周期、降低了產(chǎn)品的制造成本、提高了產(chǎn)品的整體技術(shù)水平。

1 所選貨車底盤參數(shù)及特點(diǎn)

電動貨車底盤的各項(xiàng)參數(shù)決定了底盤的基本性能要求，對純電動桶裝垃圾運(yùn)輸車的液壓尾板設(shè)計有重要的指導(dǎo)意義，底盤各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)見表1。

特點(diǎn)：車輛的能量來自電網(wǎng)，并通過車載充電機(jī)轉(zhuǎn)換后儲存到動力電池組中，再通過驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，推動車輛按司機(jī)的意圖行駛。與傳統(tǒng)內(nèi)燃動力汽車相比，高效率的電機(jī)取代了低效率的內(nèi)燃機(jī)引擎，隔離式DC/DC轉(zhuǎn)化器取代了14 V發(fā)電機(jī)，動力電池組取代了燃油系統(tǒng)，整個行駛過程實(shí)現(xiàn)零排放。整車控制器采用獨(dú)立的整車控制器模塊，實(shí)現(xiàn)對整車以下功能的驅(qū)動：

（1）汽車驅(qū)動控制；

（2）高壓保護(hù)；

（3）回饋制動控制；

（4）CAN總線信息處理；

（5）故障診斷和處理。

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用電機(jī)控制器+驅(qū)動電機(jī)的模式來實(shí)現(xiàn)對整車動力驅(qū)動的控制。輔驅(qū)三合一系統(tǒng)：采用DC/DC轉(zhuǎn)換器、車載充電機(jī)和高壓配電盒結(jié)構(gòu)集成方式，構(gòu)成輔驅(qū)三合一系統(tǒng)，減少空間占用。鋰離子動力電池系統(tǒng)：電池系統(tǒng)電芯采用磷酸鐵鋰電池，結(jié)合優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使電池包能達(dá)到較高的安全性能及較高的能量密度；電池系統(tǒng)布置合理，充分利用底盤下方車架之間的空間，保證了電池系統(tǒng)的涉水深度及防碰撞能力；動力電池組循環(huán)壽命長，可以滿足5年或200000 km的運(yùn)營需求；電池系統(tǒng)搭載的BMS（電池管理系統(tǒng)）采用先進(jìn)的近場測量技術(shù)，具有較強(qiáng)的抗干擾性，使接收的數(shù)據(jù)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。

表1 純電動貨車底盤技術(shù)參數(shù)表

整車的基本參數(shù)見表2。整車外形如圖1所示。

圖1 整車外形

表2 整車基本參數(shù)定義表

2 尾板液壓系統(tǒng)設(shè)計

2.1 尾板作業(yè)流程

如圖2所示，尾板作業(yè)流程主要有以下幾個步驟：

（1）尾板打開：尾板由豎直的安裝狀態(tài)向后打開至水平狀態(tài)（尾板板面高度與貨廂底板平齊），將車廂內(nèi)的空垃圾桶移至尾板上。

（2）尾板下降：尾板由水平狀態(tài)下降至地面，將空垃圾桶從尾板移動到地面指定位置，然后將垃圾收集點(diǎn)裝有垃圾的其他垃圾桶推放至尾板上。

（3）尾板上升：垃圾桶推放至尾板上后，操作控制按鈕使尾板上升（尾板板面高度與貨廂底板平齊），然后將垃圾桶從尾板移動到車廂內(nèi)。

（4）尾板收起：尾板從打開的水平狀態(tài)收起至豎直狀態(tài)。

2.2 尾板主要組成部分

如圖3所示，尾板主要組成部分由安裝支架、連桿機(jī)構(gòu)、舉升油缸、關(guān)門油缸、尾板等組成。

圖2 尾板作業(yè)流程

圖3 尾板主要組成部分

2.3 尾板液壓系統(tǒng)原理設(shè)計

如圖4所示，根據(jù)純電動桶裝垃圾運(yùn)輸車的工況，包括尾板打開、下降、上升、收起四個動作，各工況下的液壓原理為：

（1）尾板打開：電機(jī)液壓泵處于停止?fàn)顟B(tài)，雙向閥B、下降閥9電磁鐵同時得電（油路處于接通狀態(tài)）；關(guān)門油缸活塞桿在有桿腔的彈簧推力及尾板重力作用下回縮，尾板朝后打開，當(dāng)尾板打開至與貨廂底板處于同一水平高度時，雙向閥B、下降閥9電磁鐵同時失電（油路處于斷開狀態(tài)），尾板動作停止，尾板打開完成，如圖2（b）。

（2）尾板下降：電機(jī)液壓泵處于停止?fàn)顟B(tài)，雙向閥A、下降閥9電磁鐵同時得電（油路處于接通狀態(tài)）；舉升油缸活塞桿在尾板重力作用下回縮，尾板開始下降，當(dāng)尾板完全下降到地面時，雙向閥A、下降閥9電磁鐵同時失電（油路處于斷開狀態(tài)），尾板動作停止，尾板下降完成，如圖2（c）。

（3）尾板上升：啟動電機(jī)液壓泵，雙向閥A通電（油路處于接通狀態(tài)），油泵輸出的壓力油經(jīng)雙向閥A進(jìn)入舉升油缸11的無桿腔，舉升油缸活塞桿伸出推動連桿機(jī)構(gòu)動作，尾板開始上升，當(dāng)尾板上升至與貨廂底板處于同一水平高度時，電機(jī)液壓泵停止、雙向閥A失電（油路處于斷開狀態(tài)），尾板上升完成，如圖2（d）。

（4）尾板收起：啟動電機(jī)液壓泵，同時雙向閥B通電（油路處于接通狀態(tài)），油泵輸出的壓力油經(jīng)雙向閥B進(jìn)入關(guān)門油缸12的無桿腔，推動關(guān)門油缸活塞桿伸出，尾板開始收起，當(dāng)尾板收起至豎直狀態(tài)時，電機(jī)液壓泵停止、雙向閥B失電（油路處于斷開狀態(tài)），尾板收起完成，如圖2（e）。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

2.4 液壓系統(tǒng)主要元件的選型設(shè)計

2.4.1 電機(jī)控制器的選型設(shè)計

（1）電機(jī)控制器的作用是將電動貨車底盤的額定電壓334.88 V（直流）轉(zhuǎn)化成220 V交流，從底盤電池獲取動力以驅(qū)動220 V的電機(jī)，從而驅(qū)動液壓油泵。電動貨車底盤電池系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表3。

（2）電機(jī)控制器各子部件必須滿足中國、歐洲和北美關(guān)于車輛要求的各強(qiáng)制性法規(guī)及環(huán)保法規(guī)。在開發(fā)時需嚴(yán)格對此內(nèi)容確認(rèn)，應(yīng)主動積極搜尋國內(nèi)市場對該部件不同的標(biāo)準(zhǔn)要求，并在詳細(xì)開發(fā)方案中體現(xiàn)。部分執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求

（3）電機(jī)控制器技術(shù)參數(shù)設(shè)計見表5。

2.4.2 液壓油缸的選型設(shè)計

由于關(guān)門油缸僅需要推動尾板收起，不需要舉升貨物，只需要計算出舉升油缸的相關(guān)參數(shù)，關(guān)門油缸可參考借用舉升油缸的規(guī)格（僅安裝距及行程不同）。此文不再進(jìn)行關(guān)門油缸相關(guān)參數(shù)的計算，僅對受力大的舉升油缸進(jìn)行選型計算。由于尾板是通過自身重力作用實(shí)現(xiàn)下降的，舉升油缸的形式選擇為單作用油缸。

根據(jù)受力分析的情況，要舉升500 kg的貨物，單個舉升油缸活塞桿需要提供至少26000 N的推力。由于油缸存在一定的內(nèi)泄以及系統(tǒng)存在回油背壓，再考慮可靠性及使用壽命，在計算油缸的推力及拉力時，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)需要乘以1.15的系數(shù)，即最大推力按26500×1.15=30475 N。環(huán)衛(wèi)車一般液壓系統(tǒng)壓力在14～18 MPa，確定液壓系統(tǒng)壓力為16 MPa進(jìn)行計算。

表5 電機(jī)控制器技術(shù)參數(shù)

（1）液壓油缸的推力F1計算如下：

式中：F1為液壓油缸推力（kN）；P1為工作壓力（MPa）；A1為活塞的作用面積（m2）

根據(jù)式（3），可得：

D為活塞直徑（m），約為50 mm；即活塞直徑計算值為50 mm，根據(jù)液壓油缸內(nèi)徑尺寸系列，選擇活塞直徑D為50 mm。

（2）由于尾板是通過自身重力作用實(shí)現(xiàn)下降的，液壓油缸為單作用油缸，活塞直徑D為50 mm，根據(jù)油缸常用匹配系列，結(jié)合使用的可靠性及耐久性，活塞桿直徑可選擇為35 mm。

（3）所選電動貨車底盤的貨廂底板離地高度為780 mm；通過分析尾板連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式及尺寸，尾板從地面舉升至與貨廂底板平齊，舉升油缸行程為155 mm。

2.4.3 液壓油泵的選型

根據(jù)QC/T699-2019《車用起重尾板》的規(guī)定：尾板空載上升速度應(yīng)該不大于150 mm/s。按尾板空載上升最快速度150 mm/s計算從地面舉升到貨廂底板的時間t為：

則舉升油缸活塞桿推出155 mm的時間為5.2 s，2個舉升油缸無桿腔需要液壓系統(tǒng)提供的油液體積V為：

則需要液壓系統(tǒng)提供的流量Q為：

根據(jù)流量計算公式：

式中，VP為液壓泵的排量（mL/r）；n為液壓泵的轉(zhuǎn)速（r/min），取500r/min；ηv為液壓泵的容積效率，取0.85。

帶入公式計算，得到液壓泵的排量VP=16 mL/r，根據(jù)液壓齒輪泵的排量系列，選取齒輪泵的排量為16 mL/r。

2.4.4 驅(qū)動電機(jī)的選型

已知液壓系統(tǒng)的額定工作壓力為16 MPa，流量為7 L/min，傳動效率取0.85，則輸入功率P為：

為預(yù)留一定的動力余量，選擇額定功率為3 kW的驅(qū)動電機(jī)。驅(qū)動電機(jī)應(yīng)符合表4標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求，技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 驅(qū)動電機(jī)技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)語

純電動環(huán)衛(wèi)車不僅能滿足環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的垃圾收集、轉(zhuǎn)運(yùn)等需求，而且在運(yùn)行過程中能實(shí)現(xiàn)零排放，開展純電動環(huán)衛(wèi)車的研究開發(fā)工作，對提高環(huán)境衛(wèi)生質(zhì)量具有重要意義。