對(duì)微型電動(dòng)垃圾車(chē)的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了初步研究，建立了電動(dòng)垃圾車(chē)基本計(jì)算的動(dòng)力學(xué)模型，研制出了后開(kāi)門(mén)式的電動(dòng)垃圾車(chē)，并進(jìn)行了整車(chē)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該車(chē)的各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到科技部的技術(shù)要求，說(shuō)明整車(chē)的設(shè)計(jì)是合理的，電氣系統(tǒng)參數(shù)的匹配計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)垃圾車(chē)；參數(shù)；設(shè)計(jì)；電動(dòng)汽車(chē)
伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的提高，使用清潔無(wú)污染源動(dòng)力汽車(chē)替代燃油汽車(chē)將成為人們必然的選擇，電動(dòng)車(chē)就是其中的一個(gè)方向。電動(dòng)車(chē)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，常見(jiàn)的電動(dòng)車(chē)有電動(dòng)高爾夫車(chē)、電動(dòng)游覽車(chē)、電動(dòng)游船、電動(dòng)割草機(jī)、電動(dòng)掃地車(chē)、電動(dòng)運(yùn)輸車(chē)和電動(dòng)叉車(chē)等。人們以往心目中又臟又臭的環(huán)衛(wèi)垃圾車(chē)，在防止二次污染的同時(shí)也開(kāi)始強(qiáng)調(diào)外形的美觀和排放的清潔。將綠色動(dòng)力與特殊功能相結(jié)合，開(kāi)拓新的產(chǎn)品——微型電動(dòng)垃圾車(chē)，為電動(dòng)車(chē)開(kāi)辟了新的市場(chǎng)。相對(duì)于傳統(tǒng)的壓縮車(chē)和人力三輪垃圾車(chē)而言，新型的電動(dòng)垃圾車(chē)具有機(jī)動(dòng)性好，載質(zhì)量?jī)H為0.5t，整車(chē)外形尺寸小的特點(diǎn)，能在城市老區(qū)的窄巷小街、公園廣場(chǎng)、居民小區(qū)、旅游景點(diǎn)及城市步行街中穿梭使用。因此，設(shè)計(jì)符合市場(chǎng)需求的微型電動(dòng)垃圾車(chē)，在安全、環(huán)保、性能、舒適、價(jià)優(yōu)等方面均能滿足用戶需求，符合社會(huì)需求和技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[1～2]。
1設(shè)計(jì)思路
1.1全新設(shè)計(jì)理念
電動(dòng)垃圾車(chē)的全新設(shè)計(jì)是一項(xiàng)機(jī)電一體化的綜合科技工程，電動(dòng)垃圾車(chē)高性能的獲得并不是簡(jiǎn)單地將燃油汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)和油箱代之以電動(dòng)機(jī)和蓄電池便可以實(shí)現(xiàn)。它必須通過(guò)對(duì)蓄電池、電動(dòng)機(jī)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(shí)使其連接可靠、軸荷分配合理等才能獲得。同時(shí)還要滿足造型新穎，性能優(yōu)越，降低各種阻力，實(shí)現(xiàn)輕量化，設(shè)計(jì)全新的專(zhuān)用底盤(pán)等多方面的要求，使其成為一種全新的車(chē)型。電動(dòng)垃圾車(chē)的設(shè)計(jì)工藝流程圖如圖1所示。
1.2總體設(shè)計(jì)原則
1)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝載，采用電動(dòng)控制側(cè)面帶提桶機(jī)構(gòu)的自裝卸式機(jī)構(gòu)，靠車(chē)廂舉升傾卸垃圾。既減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又提高工作效率。
2)根據(jù)電動(dòng)車(chē)的特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，并不要求每個(gè)子系統(tǒng)最優(yōu)，只求得各個(gè)子系統(tǒng)的最佳匹配。
3)電動(dòng)垃圾車(chē)的形式：前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動(dòng)。
4)主要技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)件互換性，降低制造成本，縮短試制周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。
7)電氣系統(tǒng)采用當(dāng)今國(guó)際上比較先進(jìn)的MOSFET電控技術(shù)。
1.3整車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路
1.3.1驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
能量系統(tǒng)采用高性能鉛酸蓄電池，整車(chē)的蓄電池共8塊。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用直流電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)具有成本最低、易于平滑調(diào)速、控制器簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)垃圾車(chē)起步、爬坡的需要。
1.3.2底盤(pán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
變速器采用兩擋變速器，手動(dòng)換擋。由于采用了兩擋變速器，可以使其在低擋位時(shí)獲得較高的瞬間轉(zhuǎn)矩，在高擋位時(shí)獲得較高的行駛速度，并且能夠使電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)。變速器與電動(dòng)機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)，直接與驅(qū)動(dòng)軸安裝連接在一起。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用整體液壓式動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以減小駕駛員作用在轉(zhuǎn)向盤(pán)上的力，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使轉(zhuǎn)向輕便、靈活，而且提高了汽車(chē)行駛的安全性。本車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)主要有行車(chē)制動(dòng)系和駐車(chē)制動(dòng)系組成，為了提高制動(dòng)系統(tǒng)的工作可靠性，保證行車(chē)安全，液壓管路采用X型制動(dòng)管路，以便當(dāng)一個(gè)制動(dòng)回路失效后，另一個(gè)制動(dòng)回路仍能工作。
1.3.3車(chē)身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
車(chē)頭部分選擇玻璃鋼，可以做成不同形狀的復(fù)雜曲面；前風(fēng)擋采用大尺寸景觀夾膠玻璃。
車(chē)廂部分的設(shè)計(jì)：采用標(biāo)準(zhǔn)垃圾桶，由提桶機(jī)構(gòu)將垃圾裝入自裝卸式電動(dòng)垃圾車(chē)車(chē)廂后再轉(zhuǎn)運(yùn)；靠車(chē)廂舉升傾卸垃圾。其中，提桶機(jī)構(gòu)由電動(dòng)按鈕控制，有升、降兩個(gè)位置，操作方便，這樣可以大大減輕環(huán)衛(wèi)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。主要特點(diǎn)：直接收集、轉(zhuǎn)運(yùn)，不壓縮，適用于特定人工方式，操作簡(jiǎn)單，成本低。
1.3.4電氣及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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(chē)控制。該系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著采集整車(chē)的各子系統(tǒng)的運(yùn)行信息并進(jìn)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(zé)。具體實(shí)現(xiàn)以下功能。
1)整車(chē)信息檢測(cè)與顯示。包括加速踏板、制動(dòng)踏板等模擬信號(hào)，以及車(chē)速、前進(jìn)、后退、控制器開(kāi)關(guān)、油泵開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量。
2)動(dòng)力電池組信息檢測(cè)與顯示。包括總電流、總電壓、動(dòng)力電池充電狀態(tài)估計(jì)。
3)維護(hù)電池使用。包括放電欠壓報(bào)警、充電過(guò)壓報(bào)警、電池?fù)p壞報(bào)警。
通過(guò)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(chē)身附件提供電能。
2數(shù)學(xué)模型
電動(dòng)垃圾車(chē)由于采用電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，且以蓄電池作能源，故其結(jié)構(gòu)與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)有所不同。電動(dòng)垃圾車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成如圖2所示。
同內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相似，電動(dòng)垃圾車(chē)不是封閉的系統(tǒng)，在行駛過(guò)程中必然伴隨著與周?chē)h(huán)境的能量交換與能量損失，從能量的觀點(diǎn)來(lái)看，電動(dòng)垃圾車(chē)的能量傳遞特性可用圖3所示。
2.1電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇[3～5]
電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)包括電動(dòng)機(jī)類(lèi)型、電動(dòng)機(jī)額定功率和額定轉(zhuǎn)速等。筆者以直流電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，其功率由電動(dòng)垃圾車(chē)的最高車(chē)速來(lái)確定，以保證電動(dòng)機(jī)的效率。若給出了期望的最高車(chē)速，選擇的電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)大體上等于但不小于以最高車(chē)速行駛時(shí)的行駛阻力功率之和。即
式中PN——電動(dòng)機(jī)額定功率，kW
m——最大整車(chē)質(zhì)量，kg
f——滾動(dòng)摩擦系數(shù)
A——車(chē)輛迎風(fēng)面積，m2
umax——最高車(chē)速，km/h
ηT——傳動(dòng)效率
CD——風(fēng)阻系數(shù)
以常規(guī)車(chē)速確定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速
式中nN——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min
ig——變速器的傳動(dòng)比
i0——主減速器的傳動(dòng)比
uN——常規(guī)車(chē)速
r——車(chē)輪滾動(dòng)半徑，m
以額定功率/轉(zhuǎn)速確定電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩
2.2傳動(dòng)比選擇
車(chē)輛傳動(dòng)比包括變速器傳動(dòng)比和主減速器傳動(dòng)比。電動(dòng)垃圾車(chē)以最高車(chē)速行駛時(shí)，用最小傳動(dòng)比的擋位工作，在最大爬坡度時(shí)用最大傳動(dòng)比的擋位工作。由于直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大，并且易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，傳動(dòng)比只需滿足最高車(chē)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(dòng)比擋位為直接擋，因此，主減速器的傳動(dòng)比可以由最高車(chē)速求取，即
式中，nmax為電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。
變速器的最大傳動(dòng)比由電動(dòng)垃圾車(chē)的最大爬坡度確定，即
式中igmax——變速器的最大傳動(dòng)比
αmax——最大爬坡角度
Mmax——電動(dòng)機(jī)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(shí)主要考慮蓄電池類(lèi)型、蓄電池電壓與蓄電池容量3個(gè)方面。
1)電池組數(shù)量的選擇
動(dòng)力電池串聯(lián)起來(lái)為電動(dòng)機(jī)供電，動(dòng)力電池模塊的最小數(shù)目為
式中NBmin——?jiǎng)恿﹄姵啬K的最小數(shù)目
Ummin——電動(dòng)機(jī)的最小工作電壓，V
Ubmin——?jiǎng)恿﹄姵啬K的最小電壓，V
動(dòng)力電池需向電動(dòng)機(jī)提供足夠的功率以滿足電動(dòng)機(jī)的峰值功率要求，故動(dòng)力電池模塊數(shù)目的最大值為
式中NBmax——?jiǎng)恿﹄姵啬K的最大數(shù)目
Pmmax——電動(dòng)機(jī)的最大功率，kW
Dpower——?jiǎng)恿﹄姵氐墓β拭芏龋琖/kg
ηm——電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)的效率
mmod——?jiǎng)恿﹄姵啬K的質(zhì)量，kg
2)電池組容量的選擇
動(dòng)力電池的容量主要是由電動(dòng)垃圾車(chē)的續(xù)駛里程決定，故動(dòng)力電池容量的限值可由設(shè)計(jì)的電動(dòng)垃圾車(chē)的續(xù)駛里程范圍得到
式中Cb——?jiǎng)恿﹄姵亟M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——?jiǎng)恿﹄姵啬K的工作電壓，V
DOD——放電深度
在選擇電池的容量時(shí)，既要滿足汽車(chē)的續(xù)駛里程的設(shè)計(jì)要求，又要考慮整車(chē)的空間結(jié)構(gòu)和底盤(pán)承載能力。因?yàn)檫x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(zhǎng)，但電池組的質(zhì)量增加，整車(chē)的整備質(zhì)量增加，導(dǎo)致行駛阻力也增加，反過(guò)來(lái)又影響電動(dòng)垃圾車(chē)的續(xù)駛里程。
3參數(shù)設(shè)計(jì)
3.1動(dòng)力性能設(shè)計(jì)指標(biāo)的確立
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，此微型電動(dòng)垃圾車(chē)的動(dòng)力性能指標(biāo)為：
1)最高時(shí)速25km/h。
2)最大爬坡度20%。
3)續(xù)駛里程80km。
3.2整車(chē)參數(shù)的確定
結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，參考相關(guān)資料得出電動(dòng)垃圾車(chē)的整車(chē)參數(shù)如表1所示。
表1基本參數(shù)
根據(jù)以上原則，由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本參數(shù)的動(dòng)力學(xué)方程，得到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。
表2動(dòng)力性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果
電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的選擇首先要能滿足電動(dòng)機(jī)功率的要求。此外，應(yīng)能根據(jù)整車(chē)的行駛要求，按照預(yù)定的調(diào)速邏輯，對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。選用2.2kW/48V進(jìn)口電子速度控制器。
4整車(chē)性能試驗(yàn)
該車(chē)已經(jīng)經(jīng)過(guò)國(guó)家工程機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。
表3微型電動(dòng)垃圾車(chē)檢測(cè)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果表明該車(chē)的各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到科技部的技術(shù)要求，說(shuō)明整車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。
5結(jié)論
該微型電動(dòng)垃圾車(chē)采用高性能的鉛酸動(dòng)力電池作為能量源，機(jī)動(dòng)性好，整備質(zhì)量?jī)H為0.8t，并且整車(chē)外形尺寸小，能在城市老區(qū)的窄巷小街、公園廣場(chǎng)、居民小區(qū)、旅游景點(diǎn)及城市步行街中穿梭使用；價(jià)格便宜，目前市場(chǎng)價(jià)格在5萬(wàn)元以下；環(huán)保，無(wú)污染排放，噪音低，效率相對(duì)高，可以替代原先人力三輪車(chē)、板車(chē)的使用，降低環(huán)衛(wèi)工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，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(chē)投放市場(chǎng)后，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)垃圾車(chē) 垃圾車(chē) 技術(shù) |
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