對微型電動垃圾車的設(shè)計理論進行了初步研究，建立了電動垃圾車基本計算的動力學(xué)模型，研制出了后開門式的電動垃圾車，并進行了整車性能試驗。試驗結(jié)果表明該車的各項性能指標都達到科技部的技術(shù)要求，說明整車的設(shè)計是合理的，電氣系統(tǒng)參數(shù)的匹配計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。
關(guān)鍵詞：電動垃圾車；參數(shù)；設(shè)計；電動汽車
伴隨經(jīng)濟的發(fā)展和環(huán)保意識的提高，使用清潔無污染源動力汽車替代燃油汽車將成為人們必然的選擇，電動車就是其中的一個方向。電動車的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，常見的電動車有電動高爾夫車、電動游覽車、電動游船、電動割草機、電動掃地車、電動運輸車和電動叉車等。人們以往心目中又臟又臭的環(huán)衛(wèi)垃圾車，在防止二次污染的同時也開始強調(diào)外形的美觀和排放的清潔。將綠色動力與特殊功能相結(jié)合，開拓新的產(chǎn)品——微型電動垃圾車，為電動車開辟了新的市場。相對于傳統(tǒng)的壓縮車和人力三輪垃圾車而言，新型的電動垃圾車具有機動性好，載質(zhì)量僅為0.5t，整車外形尺寸小的特點，能在城市老區(qū)的窄巷小街、公園廣場、居民小區(qū)、旅游景點及城市步行街中穿梭使用。因此，設(shè)計符合市場需求的微型電動垃圾車，在安全、環(huán)保、性能、舒適、價優(yōu)等方面均能滿足用戶需求，符合社會需求和技術(shù)發(fā)展的趨勢[1～2]。
1設(shè)計思路
1.1全新設(shè)計理念
電動垃圾車的全新設(shè)計是一項機電一體化的綜合科技工程，電動垃圾車高性能的獲得并不是簡單地將燃油汽車的發(fā)動機和油箱代之以電動機和蓄電池便可以實現(xiàn)。它必須通過對蓄電池、電動機和控制系統(tǒng)參數(shù)的合理匹配選擇，并且在總體方案布置時使其連接可靠、軸荷分配合理等才能獲得。同時還要滿足造型新穎，性能優(yōu)越，降低各種阻力，實現(xiàn)輕量化，設(shè)計全新的專用底盤等多方面的要求，使其成為一種全新的車型。電動垃圾車的設(shè)計工藝流程圖如圖1所示。
1.2總體設(shè)計原則
1)設(shè)計專門的翻轉(zhuǎn)機構(gòu)裝載，采用電動控制側(cè)面帶提桶機構(gòu)的自裝卸式機構(gòu)，靠車廂舉升傾卸垃圾。既減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度，又提高工作效率。
2)根據(jù)電動車的特點進行系統(tǒng)總體設(shè)計，并不要求每個子系統(tǒng)最優(yōu)，只求得各個子系統(tǒng)的最佳匹配。
3)電動垃圾車的形式：前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動。
4)主要技術(shù)性能指標達到國內(nèi)先進水平。
5)優(yōu)先選用能滿足性能參數(shù)要求、成熟可靠的汽配零部件，降低工藝設(shè)備投入。
6)注意工藝性、通用性和標準件互換性，降低制造成本，縮短試制周期，提高經(jīng)濟效益。
7)電氣系統(tǒng)采用當今國際上比較先進的MOSFET電控技術(shù)。
1.3整車結(jié)構(gòu)設(shè)計思路
1.3.1驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計
能量系統(tǒng)采用高性能鉛酸蓄電池，整車的蓄電池共8塊。驅(qū)動電動機采用直流電動機，該電動機具有成本最低、易于平滑調(diào)速、控制器簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點。采用的電子速度控制器不僅具有成本低，還可獲得比較高的轉(zhuǎn)矩，滿足電動垃圾車起步、爬坡的需要。
1.3.2底盤系統(tǒng)的設(shè)計
變速器采用兩擋變速器，手動換擋。由于采用了兩擋變速器，可以使其在低擋位時獲得較高的瞬間轉(zhuǎn)矩，在高擋位時獲得較高的行駛速度，并且能夠使電動機經(jīng)常處于高效區(qū)運轉(zhuǎn)。變速器與電動機采用一體化設(shè)計，直接與驅(qū)動軸安裝連接在一起。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用整體液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以減小駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤上的力，減輕駕駛員的勞動強度，使轉(zhuǎn)向輕便、靈活，而且提高了汽車行駛的安全性。本車的制動系統(tǒng)主要有行車制動系和駐車制動系組成，為了提高制動系統(tǒng)的工作可靠性，保證行車安全，液壓管路采用X型制動管路，以便當一個制動回路失效后，另一個制動回路仍能工作。
1.3.3車身系統(tǒng)的設(shè)計
車頭部分選擇玻璃鋼，可以做成不同形狀的復(fù)雜曲面；前風擋采用大尺寸景觀夾膠玻璃。
車廂部分的設(shè)計：采用標準垃圾桶，由提桶機構(gòu)將垃圾裝入自裝卸式電動垃圾車車廂后再轉(zhuǎn)運；靠車廂舉升傾卸垃圾。其中，提桶機構(gòu)由電動按鈕控制，有升、降兩個位置，操作方便，這樣可以大大減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動強度。主要特點：直接收集、轉(zhuǎn)運，不壓縮，適用于特定人工方式，操作簡單，成本低。
1.3.4電氣及控制系統(tǒng)的設(shè)計
電氣及控制系統(tǒng)主要包括低壓電氣系統(tǒng)、高壓電氣系統(tǒng)和整車控制。該系統(tǒng)擔負著采集整車的各子系統(tǒng)的運行信息并進行監(jiān)控與診斷，維持所有電池處于最佳狀態(tài)，提供剩余能量顯示等職責。具體實現(xiàn)以下功能。
1)整車信息檢測與顯示。包括加速踏板、制動踏板等模擬信號，以及車速、前進、后退、控制器開關(guān)、油泵開關(guān)等開關(guān)量。
2)動力電池組信息檢測與顯示。包括總電流、總電壓、動力電池充電狀態(tài)估計。
3)維護電池使用。包括放電欠壓報警、充電過壓報警、電池損壞報警。
通過DC/DC變換器將48V的直流電轉(zhuǎn)換為12V的低壓電流，為儀表、照明、控制系統(tǒng)和車身附件提供電能。
2數(shù)學(xué)模型
電動垃圾車由于采用電動機作動力，且以蓄電池作能源，故其結(jié)構(gòu)與內(nèi)燃機汽車有所不同。電動垃圾車驅(qū)動系統(tǒng)的組成如圖2所示。
同內(nèi)燃機汽車相似，電動垃圾車不是封閉的系統(tǒng)，在行駛過程中必然伴隨著與周圍環(huán)境的能量交換與能量損失，從能量的觀點來看，電動垃圾車的能量傳遞特性可用圖3所示。
2.1電動機參數(shù)選擇[3～5]
電動機的主要參數(shù)包括電動機類型、電動機額定功率和額定轉(zhuǎn)速等。筆者以直流電動機為研究對象，其功率由電動垃圾車的最高車速來確定，以保證電動機的效率。若給出了期望的最高車速，選擇的電動機功率應(yīng)大體上等于但不小于以最高車速行駛時的行駛阻力功率之和。即
式中PN——電動機額定功率，kW
m——最大整車質(zhì)量，kg
f——滾動摩擦系數(shù)
A——車輛迎風面積，m2
umax——最高車速，km/h
ηT——傳動效率
CD——風阻系數(shù)
以常規(guī)車速確定電動機的額定轉(zhuǎn)速
式中nN——電動機額定轉(zhuǎn)速，r/min
ig——變速器的傳動比
i0——主減速器的傳動比
uN——常規(guī)車速
r——車輪滾動半徑，m
以額定功率/轉(zhuǎn)速確定電動機的額定轉(zhuǎn)矩
2.2傳動比選擇
車輛傳動比包括變速器傳動比和主減速器傳動比。電動垃圾車以最高車速行駛時，用最小傳動比的擋位工作，在最大爬坡度時用最大傳動比的擋位工作。由于直流電動機的起動轉(zhuǎn)矩很大，并且易實現(xiàn)無級調(diào)速，傳動比只需滿足最高車速和最大爬坡度的要求即可，因此可選擇兩擋變速器。最小傳動比擋位為直接擋，因此，主減速器的傳動比可以由最高車速求取，即
式中，nmax為電動機的最高轉(zhuǎn)速。
變速器的最大傳動比由電動垃圾車的最大爬坡度確定，即
式中igmax——變速器的最大傳動比
αmax——最大爬坡角度
Mmax——電動機的最大轉(zhuǎn)矩
2.3蓄電池參數(shù)的選擇
選擇蓄電池的參數(shù)時主要考慮蓄電池類型、蓄電池電壓與蓄電池容量3個方面。
1)電池組數(shù)量的選擇
動力電池串聯(lián)起來為電動機供電，動力電池模塊的最小數(shù)目為
式中NBmin——動力電池模塊的最小數(shù)目
Ummin——電動機的最小工作電壓，V
Ubmin——動力電池模塊的最小電壓，V
動力電池需向電動機提供足夠的功率以滿足電動機的峰值功率要求，故動力電池模塊數(shù)目的最大值為
式中NBmax——動力電池模塊的最大數(shù)目
Pmmax——電動機的最大功率，kW
Dpower——動力電池的功率密度，W/kg
ηm——電動機及其控制系統(tǒng)的效率
mmod——動力電池模塊的質(zhì)量，kg
2)電池組容量的選擇
動力電池的容量主要是由電動垃圾車的續(xù)駛里程決定，故動力電池容量的限值可由設(shè)計的電動垃圾車的續(xù)駛里程范圍得到
式中Cb——動力電池組的容量，A•h
L——續(xù)駛里程，km
e——單位距離消耗的能量，kJ/km
Ub——動力電池模塊的工作電壓，V
DOD——放電深度
在選擇電池的容量時，既要滿足汽車的續(xù)駛里程的設(shè)計要求，又要考慮整車的空間結(jié)構(gòu)和底盤承載能力。因為選擇電池容量越大，電池組所貯存的電能越多，續(xù)駛里程相應(yīng)延長，但電池組的質(zhì)量增加，整車的整備質(zhì)量增加，導(dǎo)致行駛阻力也增加，反過來又影響電動垃圾車的續(xù)駛里程。
3參數(shù)設(shè)計
3.1動力性能設(shè)計指標的確立
根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，此微型電動垃圾車的動力性能指標為：
1)最高時速25km/h。
2)最大爬坡度20%。
3)續(xù)駛里程80km。
3.2整車參數(shù)的確定
結(jié)合設(shè)計任務(wù)書，參考相關(guān)資料得出電動垃圾車的整車參數(shù)如表1所示。
表1基本參數(shù)
根據(jù)以上原則，由動力驅(qū)動系統(tǒng)基本參數(shù)的動力學(xué)方程，得到動力驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。
表2動力性能參數(shù)計算結(jié)果
電動機調(diào)速控制系統(tǒng)的選擇首先要能滿足電動機功率的要求。此外，應(yīng)能根據(jù)整車的行駛要求，按照預(yù)定的調(diào)速邏輯，對電動機進行控制。選用2.2kW/48V進口電子速度控制器。
4整車性能試驗
該車已經(jīng)經(jīng)過國家工程機械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心試驗，檢測結(jié)果如表3所示。
表3微型電動垃圾車檢測結(jié)果
試驗結(jié)果表明該車的各項性能指標都達到科技部的技術(shù)要求，說明整車的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。
5結(jié)論
該微型電動垃圾車采用高性能的鉛酸動力電池作為能量源，機動性好，整備質(zhì)量僅為0.8t，并且整車外形尺寸小，能在城市老區(qū)的窄巷小街、公園廣場、居民小區(qū)、旅游景點及城市步行街中穿梭使用；價格便宜，目前市場價格在5萬元以下；環(huán)保，無污染排放，噪音低，效率相對高，可以替代原先人力三輪車、板車的使用，降低環(huán)衛(wèi)工人勞動強度的同時，提高工作效率，與現(xiàn)有中轉(zhuǎn)站配合使用更能發(fā)揮其作用；該車投放市場后，獲得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。
關(guān)鍵詞：電動垃圾車 垃圾車 技術(shù) |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
