孟憲鑫，李 靜，楊桂龍

（1.秦皇島天業(yè)通聯(lián)重工科技有限公司，河北 秦皇島 066000；2.河北省重型裝備技術(shù)研究中心，河北 秦皇島 066000）

多軸線平板運(yùn)輸車是一種多軸線、多懸架，多驅(qū)動(dòng)輪組的輪胎式非道路特種運(yùn)輸車輛（以下簡(jiǎn)稱“平板車”），具有超長(zhǎng)超寬、質(zhì)量大、軸線多的特點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，對(duì)特大型鋼結(jié)構(gòu)部件、大型混凝土橋梁部件、大型整臺(tái)機(jī)械部件等大型貨物的運(yùn)輸需求越來(lái)越大，因此平板車作為一種輪胎式的場(chǎng)內(nèi)非道路運(yùn)輸交通工具，在機(jī)械、建筑、冶金、石油化工、航空航天等各領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用。

目前，市場(chǎng)上主流銷售的平板車輪組驅(qū)動(dòng)模式基本上都采用液壓驅(qū)動(dòng)形式，即液壓泵驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)輪邊減速機(jī)使平板車輪組轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著電驅(qū)動(dòng)輪組的技術(shù)不斷發(fā)展，乘用類電動(dòng)汽車技術(shù)逐步完善，電驅(qū)動(dòng)輪組已開(kāi)始被嘗試引入非道路工程車輛領(lǐng)域，以替換傳統(tǒng)平板車的液壓驅(qū)動(dòng)輪組。電驅(qū)動(dòng)動(dòng)力技術(shù)作為一種新型的車輛動(dòng)力技術(shù)，對(duì)現(xiàn)階段工程類特種車輛的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用，提供了一個(gè)非常重要的發(fā)展方向[1]。

1 平板車電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案概述

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪組的平板車動(dòng)力總成一般由柴油發(fā)電機(jī)組、電驅(qū)動(dòng)輪邊總成、電池組及其管理系統(tǒng)及輪組控制系統(tǒng)組成。在平板車運(yùn)行過(guò)程中，車輛的系統(tǒng)控制、各執(zhí)行操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分配及動(dòng)力系統(tǒng)的能量管理主要是通過(guò)CAN 總線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)整車中央控制系統(tǒng)的程序命令，由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、整流器以及發(fā)電機(jī)組成平板車的動(dòng)力發(fā)電機(jī)組，通過(guò)配套的動(dòng)力電池組共同為平板車輪組電動(dòng)馬達(dá)提供所需要的電能。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電動(dòng)馬達(dá)及其控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，讓電動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)輪邊減速機(jī)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輛輪組轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。當(dāng)平板車進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)馬達(dá)將車輛產(chǎn)生的動(dòng)能再生為電能，然后將電能反饋至動(dòng)力電池組中，以實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)能源回收。

2 電驅(qū)動(dòng)輪組與液壓驅(qū)動(dòng)輪組的區(qū)別

現(xiàn)階段，大型液壓動(dòng)力平板車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用以閉式液壓傳動(dòng)為主的傳動(dòng)技術(shù)方式，閉式液壓系統(tǒng)是由液壓泵和液壓馬達(dá)組成的容積調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵或者液壓馬達(dá)的排量，達(dá)到調(diào)節(jié)馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速和輸出扭矩。該系統(tǒng)適用于外部負(fù)載慣性大，需要頻繁進(jìn)行換向操作的機(jī)構(gòu)，更由于其控制方式靈活，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速功能、布局方便、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、控制方式靈活和過(guò)載保護(hù)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在大型工程車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用得非常廣泛。

與液壓驅(qū)動(dòng)輪組相比，電驅(qū)動(dòng)輪組在設(shè)備維護(hù)成本及節(jié)能減排方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)：輪組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)代替了傳統(tǒng)的液壓馬達(dá)，大幅減少了車輛對(duì)工業(yè)液壓油的使用，降低了車輛使用方對(duì)工業(yè)廢油的處理成本；在輪組配套柴油發(fā)電機(jī)組加動(dòng)力電池組的雙供能模式中，動(dòng)力電池組可以接收輪組電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能，進(jìn)行回收利用，有效降低發(fā)電機(jī)組的燃油消耗，起到節(jié)能減排的作用。

相對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)輪組的成熟技術(shù)，電驅(qū)動(dòng)輪組在平板車類特種車輛的領(lǐng)域應(yīng)用中尚處于起步研究階段，配套控制系統(tǒng)及電動(dòng)元器件尚未形成成熟系統(tǒng)的供應(yīng)鏈體系，在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造中還受到很多方面的制約：配套零部件制造尚處于起步階段，市場(chǎng)需求較少，配套的生產(chǎn)廠家制造的零部件缺少標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，多是根據(jù)平板車生產(chǎn)廠的具體要求進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)制造，這導(dǎo)致其配套零部件的制造成本較高、供貨周期長(zhǎng)；各部件之間的控制系統(tǒng)匹配性、兼容性差；輪組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)配套附件較多，所需安裝空間尺寸相對(duì)較大，同等動(dòng)力性能參數(shù)下，電動(dòng)元器件所需安裝的空間尺寸幾乎是液壓元件的1 倍，故電驅(qū)動(dòng)輪組平板車在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)平板車的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的調(diào)整，才能滿足電驅(qū)動(dòng)輪組的安裝要求，同時(shí)還能保證原有平板車機(jī)構(gòu)的靈活性。電驅(qū)動(dòng)輪組的系統(tǒng)復(fù)雜、配套供貨體系尚不成熟，設(shè)備整體設(shè)計(jì)制造成本較高，導(dǎo)致其現(xiàn)在尚未大范圍地應(yīng)用到工程車輛領(lǐng)域中。

3 平板車整體控制模塊的設(shè)計(jì)

針對(duì)平板車的多軸線驅(qū)動(dòng)輪組的布置方式，如果想用電驅(qū)動(dòng)輪組實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)平板車輪組的相關(guān)功能，最關(guān)鍵的是要實(shí)現(xiàn)車輛整體系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)的液壓閉式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以利用限流閥、分流閥或調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)排量等方式解決輪組行駛時(shí)的驅(qū)動(dòng)力分配、轉(zhuǎn)向過(guò)程中內(nèi)外輪組的差速問(wèn)題，保證運(yùn)輸車在行駛過(guò)程中輪組的驅(qū)動(dòng)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。電驅(qū)動(dòng)輪組要實(shí)現(xiàn)上述功能，則需在設(shè)計(jì)平板車的驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，針對(duì)車輛的各種運(yùn)行工況進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)收集與運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制好平板車行駛過(guò)程中各輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩及轉(zhuǎn)速輸出狀態(tài)，同時(shí)需根據(jù)運(yùn)輸車啟動(dòng)和制動(dòng)條件，制定電動(dòng)輪組的能源回收策[3]。

根據(jù)平板車的實(shí)際使用工況，進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)輪組整車扭矩協(xié)調(diào)控制方案的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重從下列工況入手。

3.1 平板車直線行駛控制的設(shè)計(jì)

當(dāng)平板車在平整良好的道路上直線行駛時(shí)，各驅(qū)動(dòng)輪組不需要差速分配，故在行駛過(guò)程中，平板車的中央系統(tǒng)只需要對(duì)各驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行平均分配，就可以保證車輛左右兩側(cè)的車輪轉(zhuǎn)速保持一致，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車的直線行駛功能。在直線行駛工況下，設(shè)計(jì)人員只需考慮車輛的動(dòng)力性能力要求，就可以確定驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量，然后針對(duì)平板車的結(jié)構(gòu)形式、空間尺寸及行駛道路坡度等技術(shù)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪組進(jìn)行布置。

3.2 電動(dòng)輪組輸出扭矩的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪組的輸出扭矩控制系統(tǒng)的主要作用是保證同一軸線上各驅(qū)動(dòng)輪間的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，在控制功能上主要可分為單電機(jī)扭矩控制、多電機(jī)同步協(xié)調(diào)控制等。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的扭矩協(xié)調(diào)控制時(shí)，建立電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的分層控制系統(tǒng)是極為關(guān)鍵的一步。驅(qū)動(dòng)力分層控制本質(zhì)上就是對(duì)車輛直接橫擺力矩的控制，其控制原理是通過(guò)運(yùn)輸車配套的各種傳感器采集車身實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)，將其與理想運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較，運(yùn)輸車控制系統(tǒng)計(jì)算出糾正車身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)所需的理想橫擺力矩，此橫擺力矩是由各輪驅(qū)動(dòng)力對(duì)車輛質(zhì)心的扭矩差組成的[4]。驅(qū)動(dòng)力的分層控制策略具有較好的動(dòng)力學(xué)控制效果，能有效提高運(yùn)輸車在行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性。此外，在直行行駛的工況下，針對(duì)因路況不佳、驅(qū)動(dòng)輪組布置不對(duì)稱或個(gè)別驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)故障而導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)電機(jī)在輸出扭矩不相等或者轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)故障等所引起的跑偏現(xiàn)象，可以依靠驅(qū)動(dòng)力分層控制策略制定修正橫擺力矩，達(dá)到補(bǔ)償電機(jī)輸出、修正運(yùn)輸車的效果。

3.3 驅(qū)動(dòng)輪組差速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平板車的輪組在進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)，各軸線輪組的轉(zhuǎn)角關(guān)系和輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可以由阿克曼轉(zhuǎn)向原理所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，得出各軸線輪組轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)輪組電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

在平板車行駛過(guò)程中，通過(guò)傳感器對(duì)整車質(zhì)心速度和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角的檢測(cè)，系統(tǒng)程序可計(jì)算出每個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪繞轉(zhuǎn)向中心的線速度和車輪所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)中央控制器發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)分配；使驅(qū)動(dòng)輪組實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而讓平板車實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型原則

從車輛使用的動(dòng)力性、持續(xù)工作的穩(wěn)定性和安全性的角度出發(fā)，選擇車輛驅(qū)動(dòng)輪組電機(jī)及其控制系統(tǒng)時(shí)，需要充分考慮設(shè)備的運(yùn)行工況、使用頻率、動(dòng)力部件故障概率等相關(guān)因素，采取冗余設(shè)計(jì)，確保運(yùn)輸車行駛過(guò)程中的可靠性和安全性。

輪組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)有比較寬泛的調(diào)速范圍，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速最好不低于2 倍基速，運(yùn)輸車采用多軸線輪分布式電驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，配套的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)具有良好的扭矩過(guò)載能力以及功率過(guò)載能力，扭矩峰值應(yīng)不低于2 倍的額定扭矩值，峰值功率應(yīng)高于1.5 倍的額定功率值，并且電機(jī)在扭矩及功率過(guò)載的工況下，仍能工作5min ～10min。

5 平板車動(dòng)力管理模塊設(shè)計(jì)

目前較普遍的電驅(qū)動(dòng)輪組平板車的動(dòng)力配套方案：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)過(guò)整流后和動(dòng)力電池組并聯(lián)提供直流電壓，直流電壓經(jīng)過(guò)電機(jī)控制器逆變成大小和頻率可變的交流電給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)供電，使電動(dòng)輪組正常工作。

由于平板車的電驅(qū)動(dòng)輪組會(huì)涉及多個(gè)用電單元，因此設(shè)計(jì)車輛的供能系統(tǒng)管理模塊時(shí)，需要對(duì)平板車動(dòng)力部件的算法進(jìn)行科學(xué)合理制定，確保其能合理實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛能源的分配管理以及系統(tǒng)控制，保證各部件之間的協(xié)同合作，使平板車具有良好的動(dòng)力性和續(xù)航能力[5]。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著現(xiàn)代電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)越來(lái)越完善，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪組已經(jīng)開(kāi)始逐步被應(yīng)用到更多的特種車輛的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)中，電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于促進(jìn)特種車輛工程的發(fā)展有著非常積極的意義[6-7]。結(jié)合我國(guó)特種工程車輛行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，工程車輛電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究依然處于起步階段，其相關(guān)技術(shù)尚存在一定的不足，只有結(jié)合社會(huì)的發(fā)展以及相關(guān)使用產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求，加強(qiáng)對(duì)特種車輛電驅(qū)動(dòng)輪組系統(tǒng)的研究，才能實(shí)現(xiàn)我國(guó)特種車輛工程行業(yè)的長(zhǎng)效發(fā)展。