王佰杰，郭志強(qiáng)

（奇瑞汽車河南有限公司，河南 開(kāi)封 475000）

某電動(dòng)輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王佰杰，郭志強(qiáng)

（奇瑞汽車河南有限公司，河南 開(kāi)封 475000）

文章通過(guò)對(duì)某電動(dòng)輕型卡車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾種布置方案的比較，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行分析，通過(guò)各方案比較，提取最優(yōu)化方案。以輕量化、提高可靠性、降低制造成本和減少開(kāi)發(fā)周期為優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析確定參數(shù)、并通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證考察和分析方案可行性，為現(xiàn)階段電動(dòng)輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作提出了有效參考。

電動(dòng)輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；布置設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.005

CLC NO.: U469.72+2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-13-03

隨著新能源技術(shù)在國(guó)內(nèi)逐步推廣和應(yīng)用，純電動(dòng)輕型卡車也順勢(shì)而生。出于技術(shù)經(jīng)濟(jì)層面的考慮，基于國(guó)內(nèi)成熟的內(nèi)燃機(jī)輕卡（后續(xù)簡(jiǎn)稱“傳統(tǒng)輕卡”）技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈，現(xiàn)階段電動(dòng)輕卡的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)主要是以傳統(tǒng)輕卡為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

那么在開(kāi)發(fā)電動(dòng)輕卡動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)時(shí)，如何將成熟技術(shù)、成熟產(chǎn)品與新技術(shù)、新產(chǎn)品有機(jī)結(jié)合，來(lái)提高產(chǎn)品價(jià)值呢？本例介紹了一種通過(guò)集中布置、減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)量等優(yōu)化手段來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化、高可靠性、低能耗，降成本和減少開(kāi)發(fā)周期的方案和方法。希望能給各位同行一個(gè)切實(shí)可行的參考建議。

1、電動(dòng)輕卡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的集中布置

傳統(tǒng)輕卡由于內(nèi)燃機(jī)占據(jù)了車架和駕駛室之間的絕大部分空間，動(dòng)力轉(zhuǎn)向油罐多是布置在駕駛室后邊，造成轉(zhuǎn)向管路較長(zhǎng)，傳統(tǒng)輕卡動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（后續(xù)簡(jiǎn)稱“傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”）油管總長(zhǎng)度為3～4米。這意味著液壓油要克服更大的粘滯阻力，對(duì)提高液壓傳動(dòng)效率不利，也增加管路制造難度和成本。

因此，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)純電動(dòng)輕卡動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（后續(xù)簡(jiǎn)稱“電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)”）時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)向管路的布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化原則是：動(dòng)力轉(zhuǎn)向油罐、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向管路緊湊布置。

相比傳統(tǒng)輕卡，電動(dòng)輕卡駕駛室與車架之間的空間充足，布置更為靈活，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，把動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵布置到距離轉(zhuǎn)向機(jī)更近的位置，同時(shí)把動(dòng)力轉(zhuǎn)向油罐布置到距離油泵更近的位置，把它裝到電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵的安裝支架上，這樣油管總長(zhǎng)度縮小了60%。

2、動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵采用與電動(dòng)空壓機(jī)集成的方案

一般電動(dòng)汽車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵和空壓機(jī)分別由兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)電機(jī)控制策略不同，控制模塊和控制策略復(fù)雜，需要更多的功率電子原件，使可靠性受到限制。因此要進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化原則是：減少電機(jī)數(shù)量、提高可靠性、簡(jiǎn)化控制策略。

具體方案是，取消電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵電機(jī)，使之與電動(dòng)空壓機(jī)集成，共用同一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制策略簡(jiǎn)化為電機(jī)定速工作。

由于轉(zhuǎn)向泵和空壓機(jī)采用同一臺(tái)電機(jī)，所以要對(duì)轉(zhuǎn)向泵、空壓機(jī)、電機(jī)相應(yīng)的參數(shù)匹配。

2.1 轉(zhuǎn)向油泵的選擇與匹配

此款電動(dòng)輕卡基于成熟的傳統(tǒng)輕卡進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，因此，轉(zhuǎn)向機(jī)、轉(zhuǎn)向盤、車輪、前懸架均沿用，經(jīng)計(jì)算，需要流量為12L/min，最大工作壓力為13Mpa的轉(zhuǎn)向泵。

葉片式動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，可靠性高，互換性好，所以選用葉片式動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵。

轉(zhuǎn)向泵相關(guān)參數(shù)匹配。根據(jù)轉(zhuǎn)向機(jī)扭矩和使用油壓、流量要求，來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)向泵需要的驅(qū)動(dòng)功率和轉(zhuǎn)速、排量等參數(shù)。轉(zhuǎn)向機(jī)需要轉(zhuǎn)向油流量為12L/min，最大工作壓力為13Mpa，所選用的轉(zhuǎn)向泵排量為10ml/r，因此驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵要求電機(jī)轉(zhuǎn)速為12*1000/10＝1200轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵所需要的功率為12 ×13/60＝2.6kw。

動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵主要參數(shù)如表1所示。

2.2 空壓機(jī)的選擇與匹配

汽車上常用的空壓機(jī)有活塞空壓機(jī)和雙螺桿空壓機(jī)。與雙螺桿空壓機(jī)相比，活塞空壓機(jī)存在以下缺點(diǎn)：活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在排氣行程結(jié)束時(shí)總有剩余容積存在，在吸氣行程中，剩余容積內(nèi)的壓縮空氣會(huì)膨脹，會(huì)減少空氣吸入量，增加壓縮功，降低效率；運(yùn)動(dòng)零部件多，可靠性低；振動(dòng)和噪聲大；運(yùn)動(dòng)件慣性載荷大，轉(zhuǎn)速提高受限。

所以，為了降低輔助設(shè)備能耗，提高續(xù)航力和經(jīng)濟(jì)性，選擇了雙螺桿式空氣壓縮機(jī)。根據(jù)相關(guān)計(jì)算，確定了空壓機(jī)的型號(hào)，該型空壓機(jī)主要參數(shù)如下表2所示。

表2 雙螺桿式空壓機(jī)主要參數(shù)

2.3 電機(jī)參數(shù)與匹配

根據(jù)空壓機(jī)和轉(zhuǎn)向泵所需要的功率、轉(zhuǎn)速、工作電壓來(lái)匹配電機(jī)參數(shù)。

方案一，電機(jī)按照“功率就高”選擇，即滿足空壓機(jī)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵中功率較大的一個(gè)。對(duì)于本例，油泵驅(qū)動(dòng)功率為2.6kw，空壓機(jī)是2.2kw，選擇電機(jī)功率為3kw。實(shí)踐證明，在行車過(guò)程中空壓機(jī)和轉(zhuǎn)向泵同時(shí)工作時(shí)，方向盤操作力矩的無(wú)明顯變化；但在車輛起步，或者低速（速度低于5km/h）時(shí)，當(dāng)空壓機(jī)泵氣時(shí)，方向盤操作力矩略增加，有經(jīng)驗(yàn)的駕駛員在操作時(shí)能感覺(jué)到。

鑒于此，為了避免這一現(xiàn)象，對(duì)方案一進(jìn)行優(yōu)化，提出了方案二。

方案二，電機(jī)按照“全功率”選擇，即所選電機(jī)功率應(yīng)該不小于轉(zhuǎn)向泵和空壓機(jī)功率之和，即不小于4.8kw。選擇額定工作電壓為242V，功率為5kw，額定轉(zhuǎn)速為1460r/min的永磁同步電機(jī)。

所選永磁同步電機(jī)電機(jī)主要參數(shù)如表3所示。

表3 永磁同步電機(jī)主要參數(shù)

3、實(shí)車驗(yàn)證

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，要用實(shí)車來(lái)驗(yàn)證。主要目的是考察空壓機(jī)和轉(zhuǎn)向泵同時(shí)工作情況下，是否會(huì)因?yàn)榭諌簷C(jī)突然加載而引起方向盤操作力的變化和是否會(huì)引起方向盤操作不適感。

1）車輛靜止?fàn)顟B(tài)的驗(yàn)證

首先，在車子發(fā)動(dòng)前，在儲(chǔ)氣筒放水閥拉環(huán)系上一根繩子，繩子長(zhǎng)度足以讓操作人員在距離車身最外測(cè)以外1.5米以上距離來(lái)操作放水閥，以保證安全；然后，駕駛員就位，保持駐車狀態(tài)，掛空擋，發(fā)動(dòng)車子，熱車5分鐘以上，確保儲(chǔ)氣筒壓力不再上升；而后，駕駛員緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，同時(shí)告知操作人員拉動(dòng)放水閥，迅速放掉壓縮空氣，使空壓機(jī)泵氣，引入空壓機(jī)負(fù)載。

以上步驟重復(fù)數(shù)次，輪換多人操作，統(tǒng)計(jì)駕駛員在轉(zhuǎn)方向盤時(shí)候的感受，未發(fā)現(xiàn)明顯頓挫、力矩增加、震顫等異?，F(xiàn)象，相比傳統(tǒng)柴油機(jī)輕卡來(lái)說(shuō)，方向盤操作感受無(wú)明顯差異。

2）車輛行駛狀態(tài)驗(yàn)證

在3萬(wàn)公里綜合道路試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

3、結(jié)論

通過(guò)幾種方案的比較，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，以技術(shù)可行為前提，有的放矢地對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)方案，總結(jié)一下，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）包括轉(zhuǎn)向泵在內(nèi)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵件均沿用成熟產(chǎn)品，大大降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和開(kāi)發(fā)成本；

2）轉(zhuǎn)向管路系統(tǒng)采用集中布置，減小體積和重量，使布置更為靈活；

3）轉(zhuǎn)向泵和空壓機(jī)集成起來(lái)，共用同一臺(tái)電機(jī)，降低了能耗，簡(jiǎn)化了控制策略，提高了可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證，證明優(yōu)化措施是完全可行的。這一系列措施旨在保證產(chǎn)品質(zhì)量、減少開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、降低制造成本和縮短開(kāi)發(fā)周期，這符合廣大汽車用戶和汽車制造廠的期望。

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

Optimization design of an electric light truck steering system

Wang Baijie, Guo Zhiqiang
(Chery automotive Henan Co., Ltd., Henan Kaifeng 475000)

Absract: In this paper, through the comparison of several layout schemes of an electric light truck steering system, from the technical and economic point of view, through the comparison of the various schemes, the optimization scheme is extracted. In order to lightweight, improve the reliability, reduce the manufacturing cost and reduce development cycle for the principle of optimization design, through calculation and analysis of determining parameters, and through the real vehicle validation study and analysis of the feasibility of the scheme, at this stage of the electric light truck steering system design and development work of the effective reference.

Electric light truck steering system; Layout design; optimal design

U469.72+2

A

1671-7988 (2016)12-13-03

王佰杰（1982-），底盤系統(tǒng)工程師，就職于奇瑞汽車河南有限公司。