一種純電動桶裝垃圾運輸車尾板液壓系統的設計開發

魏明剛，秦付華，譚 貞，彭柳柳

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

來自作者所在公司的新產品基于新能源貨車底盤的純電動桶裝垃圾運輸車開發項目，該產品同時具備純電動汽車的特點：采用先進的鋰離子動力電池組作為儲能裝置，能量密度高、使用壽命長，大大降低車輛的綜合使用成本，而且車輛運行過程實現零排放；與傳統內燃動力汽車相比，采用液冷永磁同步電機系統作為能量轉換機構，調速范圍寬，扭矩及過載能力強，電機不會“熄火”；車輛起步平順，換檔操作簡單，車輛運行時的噪聲低，轉換效率大幅度提高；采用隔離式DC/DC轉化器取代了14 V發電機，效率提高，且整車絕緣有保障，具有高效、節能、無污染、低噪音、使用成本低、可靠性高等優點。純電動桶裝垃圾運輸車結合五菱電動貨車底盤的相關性能及產品特性開展液壓尾板的研究工作，主要內容包括：尾板液壓系統的設計、升降機構的設計、大板的結構設計等，在保證產品關鍵性能的基礎上，縮短了產品的制造周期、降低了產品的制造成本、提高了產品的整體技術水平。

1 所選貨車底盤參數及特點

電動貨車底盤的各項參數決定了底盤的基本性能要求，對純電動桶裝垃圾運輸車的液壓尾板設計有重要的指導意義，底盤各項技術參數見表1。

特點：車輛的能量來自電網，并通過車載充電機轉換后儲存到動力電池組中，再通過驅動電機系統把電能轉化成機械能，推動車輛按司機的意圖行駛。與傳統內燃動力汽車相比，高效率的電機取代了低效率的內燃機引擎，隔離式DC/DC轉化器取代了14 V發電機，動力電池組取代了燃油系統，整個行駛過程實現零排放。整車控制器采用獨立的整車控制器模塊，實現對整車以下功能的驅動：

（1）汽車驅動控制；

（2）高壓保護；

（3）回饋制動控制；

（4）CAN總線信息處理；

（5）故障診斷和處理。

電機驅動系統采用電機控制器+驅動電機的模式來實現對整車動力驅動的控制。輔驅三合一系統：采用DC/DC轉換器、車載充電機和高壓配電盒結構集成方式，構成輔驅三合一系統，減少空間占用。鋰離子動力電池系統：電池系統電芯采用磷酸鐵鋰電池，結合優化的結構設計，使電池包能達到較高的安全性能及較高的能量密度；電池系統布置合理，充分利用底盤下方車架之間的空間，保證了電池系統的涉水深度及防碰撞能力；動力電池組循環壽命長，可以滿足5年或200000 km的運營需求；電池系統搭載的BMS（電池管理系統）采用先進的近場測量技術，具有較強的抗干擾性，使接收的數據具有更高的穩定性和可靠性。

表1 純電動貨車底盤技術參數表

整車的基本參數見表2。整車外形如圖1所示。

圖1 整車外形

表2 整車基本參數定義表

2 尾板液壓系統設計

2.1 尾板作業流程

如圖2所示，尾板作業流程主要有以下幾個步驟：

（1）尾板打開：尾板由豎直的安裝狀態向后打開至水平狀態（尾板板面高度與貨廂底板平齊），將車廂內的空垃圾桶移至尾板上。

（2）尾板下降：尾板由水平狀態下降至地面，將空垃圾桶從尾板移動到地面指定位置，然后將垃圾收集點裝有垃圾的其他垃圾桶推放至尾板上。

（3）尾板上升：垃圾桶推放至尾板上后，操作控制按鈕使尾板上升（尾板板面高度與貨廂底板平齊），然后將垃圾桶從尾板移動到車廂內。

（4）尾板收起：尾板從打開的水平狀態收起至豎直狀態。

2.2 尾板主要組成部分

如圖3所示，尾板主要組成部分由安裝支架、連桿機構、舉升油缸、關門油缸、尾板等組成。

圖2 尾板作業流程

圖3 尾板主要組成部分

2.3 尾板液壓系統原理設計

如圖4所示，根據純電動桶裝垃圾運輸車的工況，包括尾板打開、下降、上升、收起四個動作，各工況下的液壓原理為：

（1）尾板打開：電機液壓泵處于停止狀態，雙向閥B、下降閥9電磁鐵同時得電（油路處于接通狀態）；關門油缸活塞桿在有桿腔的彈簧推力及尾板重力作用下回縮，尾板朝后打開，當尾板打開至與貨廂底板處于同一水平高度時，雙向閥B、下降閥9電磁鐵同時失電（油路處于斷開狀態），尾板動作停止，尾板打開完成，如圖2（b）。

（2）尾板下降：電機液壓泵處于停止狀態，雙向閥A、下降閥9電磁鐵同時得電（油路處于接通狀態）；舉升油缸活塞桿在尾板重力作用下回縮，尾板開始下降，當尾板完全下降到地面時，雙向閥A、下降閥9電磁鐵同時失電（油路處于斷開狀態），尾板動作停止，尾板下降完成，如圖2（c）。

（3）尾板上升：啟動電機液壓泵，雙向閥A通電（油路處于接通狀態），油泵輸出的壓力油經雙向閥A進入舉升油缸11的無桿腔，舉升油缸活塞桿伸出推動連桿機構動作，尾板開始上升，當尾板上升至與貨廂底板處于同一水平高度時，電機液壓泵停止、雙向閥A失電（油路處于斷開狀態），尾板上升完成，如圖2（d）。

（4）尾板收起：啟動電機液壓泵，同時雙向閥B通電（油路處于接通狀態），油泵輸出的壓力油經雙向閥B進入關門油缸12的無桿腔，推動關門油缸活塞桿伸出，尾板開始收起，當尾板收起至豎直狀態時，電機液壓泵停止、雙向閥B失電（油路處于斷開狀態），尾板收起完成，如圖2（e）。

圖4 液壓系統原理圖

2.4 液壓系統主要元件的選型設計

2.4.1 電機控制器的選型設計

（1）電機控制器的作用是將電動貨車底盤的額定電壓334.88 V（直流）轉化成220 V交流，從底盤電池獲取動力以驅動220 V的電機，從而驅動液壓油泵。電動貨車底盤電池系統技術參數見表3。

（2）電機控制器各子部件必須滿足中國、歐洲和北美關于車輛要求的各強制性法規及環保法規。在開發時需嚴格對此內容確認，應主動積極搜尋國內市場對該部件不同的標準要求，并在詳細開發方案中體現。部分執行標準見表4。

表4 標準法規要求

（3）電機控制器技術參數設計見表5。

2.4.2 液壓油缸的選型設計

由于關門油缸僅需要推動尾板收起，不需要舉升貨物，只需要計算出舉升油缸的相關參數，關門油缸可參考借用舉升油缸的規格（僅安裝距及行程不同）。此文不再進行關門油缸相關參數的計算，僅對受力大的舉升油缸進行選型計算。由于尾板是通過自身重力作用實現下降的，舉升油缸的形式選擇為單作用油缸。

根據受力分析的情況，要舉升500 kg的貨物，單個舉升油缸活塞桿需要提供至少26000 N的推力。由于油缸存在一定的內泄以及系統存在回油背壓，再考慮可靠性及使用壽命，在計算油缸的推力及拉力時，根據經驗需要乘以1.15的系數，即最大推力按26500×1.15=30475 N。環衛車一般液壓系統壓力在14～18 MPa，確定液壓系統壓力為16 MPa進行計算。

表5 電機控制器技術參數

（1）液壓油缸的推力F1計算如下：

式中：F1為液壓油缸推力（kN）；P1為工作壓力（MPa）；A1為活塞的作用面積（m2）

根據式（3），可得：

D為活塞直徑（m），約為50 mm；即活塞直徑計算值為50 mm，根據液壓油缸內徑尺寸系列，選擇活塞直徑D為50 mm。

（2）由于尾板是通過自身重力作用實現下降的，液壓油缸為單作用油缸，活塞直徑D為50 mm，根據油缸常用匹配系列，結合使用的可靠性及耐久性，活塞桿直徑可選擇為35 mm。

（3）所選電動貨車底盤的貨廂底板離地高度為780 mm；通過分析尾板連桿機構結構形式及尺寸，尾板從地面舉升至與貨廂底板平齊，舉升油缸行程為155 mm。

2.4.3 液壓油泵的選型

根據QC/T699-2019《車用起重尾板》的規定：尾板空載上升速度應該不大于150 mm/s。按尾板空載上升最快速度150 mm/s計算從地面舉升到貨廂底板的時間t為：

則舉升油缸活塞桿推出155 mm的時間為5.2 s，2個舉升油缸無桿腔需要液壓系統提供的油液體積V為：

則需要液壓系統提供的流量Q為：

根據流量計算公式：

式中，VP為液壓泵的排量（mL/r）；n為液壓泵的轉速（r/min），取500r/min；ηv為液壓泵的容積效率，取0.85。

帶入公式計算，得到液壓泵的排量VP=16 mL/r，根據液壓齒輪泵的排量系列，選取齒輪泵的排量為16 mL/r。

2.4.4 驅動電機的選型

已知液壓系統的額定工作壓力為16 MPa，流量為7 L/min，傳動效率取0.85，則輸入功率P為：

為預留一定的動力余量，選擇額定功率為3 kW的驅動電機。驅動電機應符合表4標準法規要求，技術參數見表6。

表6 驅動電機技術參數

3 結語

純電動環衛車不僅能滿足環衛系統的垃圾收集、轉運等需求，而且在運行過程中能實現零排放，開展純電動環衛車的研究開發工作，對提高環境衛生質量具有重要意義。