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)。