一种纯电动混凝土搅拌运输车及设计方法.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.016.009 10.16638/ki.1671-7988.2023.016.009 一种纯电动混凝土搅拌运输车及设计方法 赵 伟（陕西汽车集团股份有限公司，陕西 西安 710200）摘要：为减少城市用工程车辆尾气排放对环境的影响，满足车辆电动化趋势的需要，文章介绍了一种纯电动混凝土搅拌运输车及设计方法。首先，介绍了柴油燃料混凝土搅拌运输车现状；其次，针对纯电动实现路线进行分析，确定满足需求的技术路线；最后，拟定了开发车型的技术方案、配置及参数，并从方案总布置、动力电池能量核算、电机、变速器、车架、悬架及车桥匹配计算等校核方面，重点论述了纯电动混凝土搅拌运输车的设计方法及要点。文章具有一定的理论意义和工程应用价值。关键词：纯电动混凝土搅拌运输车；技术路线；参数选择；设计方法 中图分类号：U469.6+5 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2023)16-46-04 A Pure Electric Concrete Mixer Truck and Design Method ZHAO Wei(Shaanxi Automobile Group Company Limited,Xian 710200,China)Abstract:In order to reduce the impact of exhaust emissions from urban construction vehicles on the environment and meet the needs of vehicle electrification,this paper introduces a pure electric concrete mixer truck and design method.Firstly,the status quo of diesel fuel concrete mixer truck is introduced.Secondly,the realization route of pure electric is analyzed to determine the technical route to meet the demand.Finally,the technical scheme,configuration and parameters of the development vehicle model are drawn up,and the design method and key points of the pure electric concrete mixer truck are mainly discussed from the aspects of the general layout of the scheme,power battery energy accounting,motor,transmission,frame,suspension and axle matching calculation,etc.The paper has certain theoretical significance and engineering application value.Keywords:Pure electric concrete mixer truck;Technical route;Parameter selection;Design method 混凝土搅拌运输车主要用于城市及周边区域商品混凝土的运输，近年来随着禁止混凝土现场搅拌政策实施，运输车辆销量暴涨，其中 98%以上的销售车型为四轴柴油燃料车。销量暴涨促使尾气排放不断扩大，对城市环境治理造成了严重的负担。1 混凝土搅拌运输车现状 目前的柴油燃料混凝土搅拌运输车，由二类底盘及上装组成，上装通过副车架与二类底盘连作者简介：赵伟（1985），男，工程师，研究方向为汽车产品设计，E-mail:。第 16 期 赵 伟：一种纯电动混凝土搅拌运输车及设计方法 47 接组合成整车，如图 1 所示。柴油燃料混凝土搅拌运输车通过发动机全功率取力，驱动液压泵产生高压油，高压油驱动液压马达，通过减速机带动罐体转动，通过液压传动系统的控制可以实现搅拌筒的正反转和速度调节，进而控制搅拌筒进料、搅拌和出料1。燃油车型不可避免存在排放污染、液压系统效率低及可靠性差等问题。1驾驶室；2柴油发动机；3变速器；4进气系统；5排气系统；6冷却系统；7燃油供给；8车架；9行驶系统；10液压泵；11液压马达；12减速机；13搅拌筒；14副车架；15液压油箱；16散热器。图 1 柴油燃料混凝土搅拌运输车 2 纯电动搅拌运输车技术路线设计 针对上述情况，本文拟设计一种充电式纯电动混凝土搅拌运输车整车，通过使用零排放电能代替化石燃料驱动，解决排放污染问题；通过电机直驱代替液压驱动，解决上装系统效率及可靠性差等问题。目前，可供底盘采用的技术路线为驱动电机+变速器+驱动桥及电驱桥底盘两种技术路线。综合搅拌车大扭矩、工况复杂的运营情况及开发成本方面的考虑，本文选择驱动电机+变速器+驱动桥纯电底盘的技术路线。上装拟采用的技术路线有独立电机驱动液压上装、独立电驱上装及液压上装底盘取力三种技术路线2。匹配的整车技术路线分别如图 2、图 3 和图 4 所示。图 2 纯电底盘+独立电机驱动液压上装技术路线 图2中纯电底盘+独立电机驱动液压上装技术路线的优点有：结构简单，有成熟的配套系统，电机损坏后可在短时间内进行液压系统应急救援，将混凝土排出。缺点有：上装需增加一套电机及控制器，需要与远程油门、整车控制系统相互关联控制，重量重且成本高，控制复杂。图 3 纯电底盘+独立电驱上装技术路线 图3中纯电底盘+独立电驱上装技术路线的优点有：无油泵/马达液压部件，重量轻，传动效率最高。缺点有：直驱减速机的电机需定制化开发，同时上装位置需预留救援空间，电机一旦损坏，必须在短时间内进行更换，否则混凝土凝结，罐体报废。图 4 纯电底盘+液压上装底盘取力技术路线 图4中纯电底盘+液压上装底盘取力技术路线的优点有：机械取力、可靠性高、控制方便、成本较低。缺点有：增加机械式取力器、离合器壳，无成熟配套，需重新匹配应用，传动效率最低。根据上述三种整车技术路线优缺点分析，结合搅拌车对于可靠性、连续作业、可维修性、经济及技术现状等方面的考虑，本文设计的纯电动搅拌运输车采用如图3所示的纯电底盘+独立电驱上装技术路线，可靠性高、重量轻、传动效率高。3 方案设计 3.1 设计输入 依据车辆实际使用需求作为车型开发的设计输入，搅拌车主要用于搅拌站到工地间的混凝土运输，运距 30 km 左右，满载常用行驶速度 4050 km/h，每天往返 4 次。基于上述输入，确定动力性设计目标如表 1所示。表 1 动力性设计目标 指标内容 指标 车速/(km/h)89 最大爬坡度/%30 作业里程/(km/天)220 48 汽 车 实 用 技 术 2023 年 3.2 整车关键参数选择 按照汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值（GB 15892016）3规定四轴搅拌车满载最大总质量为 31 t，罐体搅动容量小于等于 8 m，参照市场燃油车型相关参数，结合电机、电池等纯电资源配套，初定整车关键参数如表 2所示。表 2 整车关键参数 参数项 参数值 整车最大总质量 M/kg 31 000 整备质量 m/kg 13 540 公告搅动容量 V/m3 8 迎风面积 A/m2 6.66 空气阻力系数 CD 0.8 车轮半径 r/m 0.526 683 495 滚动阻力系数 f 0.015 旋转质量换算系数 1.05 变速器效率 0.98 传动轴万向节效率 0.98 主减速器效率 0.92 传动系统总效率 T 0.901 6 电机效率 电 0.94 动力系统总效率 总 0.847 504 3.3 整车布置方案设计 根据配套资源及车型家族化设计考虑，结合市场竞品对标，制定整车布置方案如图 5 所示。3.4 驱动力计算 首先确定车辆的驱动能力，依据车辆行驶方程：tfwijFFFFF=+（1）式中，Ft为驱动力；Ff为滚动阻力；Fw为空气阻力；Fi为坡度阻力；Fj为加速阻力。计算结果如表 3 所示。21驾驶室；22底盘驱动电机；23电控机械式自动变速器；24冷却系统；25动力电池系统；26充电系统；27车架；28行驶系统；29底盘电控系统；30驱动电机；31减速机；32搅拌筒；33副车架。图 5 纯电动混凝土搅拌运输车 表 3 驱动力计算参数 单位：N 驱动 数值 Ft 115 272 Ff 445 4 Fw 199 5 Fi 890 77 Fj 197 45 4 关键系统选择及计算校核 4.1 动力电池能量核算 混凝土搅拌运输车的基本工况包括进料工况、运输搅拌工况、快速搅拌工况、卸料工况和返回工况五个工况4。驻车装料阶段拌筒转速为 8 r/min；运输阶段拌筒转速为 3 r/min；驻车卸料阶段先加速搅拌，拌筒转速为 14 r/min；稳定卸料拌筒转速为 5 r/min；返回清洗拌筒转速为 3 r/min。根据搅拌车满载总质量 31 t，以单趟 30 km，行驶速度 50 km/h 计算，确定单趟往返总电耗5，结果如表 4 所示。表 4 单趟往返总电耗 工作过程 车辆状态 转速/(r/min)时间/min 加载情况 上装功率/kW 底盘功率/kW 能耗/(kW/h)底盘 上装 装料 驻车 8 5 空载满载 38.5 0 0 3.2 运输 行驶 3 36 满载 14.45 73.0 43.8 8.67 加速搅拌 驻车 14 1 满载 67.4 0 0 1.12 稳定卸料 驻车 5 15 满载空载 24.08 0 0 6.02 返回 行驶 3 36 空载 1.00 11.5 6.9 0.6 单趟总电耗/(kW/h)70.3 4.2 动力系统需求计算 首先，确定车轮最高转速，依据最高车速计算，公式为 r.un3770mm=（2）式中，nm为车轮最高转速；um为最高车速。其次，确定整车需求的功率及转矩。根据最高车速计算整车需求的额定功率；根据最大爬坡度计算整车需求的峰值功率；根据持续爬坡度计算整车需求的额定转矩；根据最大爬坡度计算整车需求的峰值扭矩。如式（3）式（6）所示。3mDve360076140uC APGfu=+（3）第 16 期 赵 伟：一种纯电动混凝土搅拌运输车及设计方法 49 2Dimimimdcossin21.15d3600C AuuuPGfGfmt=+（4）2Dicecossin21.15C AuTr GfG=+（5）2Dimimdcossin21.15dC AuuTr GfGmt=+（6）式中，Pve为额定功率；Pim为峰值功率；Te为额定转矩；Tim为最大转矩；为最大爬坡度；uim为最大爬坡度车速，取 10 km/h。uim计算结果如表 5所示。表 5 动力需求计算参数 项目 数值 Nm/(r/min)448.227 963 5 Pve/kW 164.289 497 4 Pim/kW 259.880 356 2 Te/(Nm)18 621.804 02 Tim/(Nm)49 274.889 99 4.3 动力系统配置参数选择 首先，根据所选纯电动底盘技术路线，结合系统需求计算结果，确定电机的功率及转矩参数，如式（7）式（10）所示。eeePP=（7）mmmPP=（8）eeeee9550PTn=（9）mmmme9550PTn=（10）式中，Pee为电机额定功率；Pmm为电机峰值功率；Tee为电机额定转矩；Tmm为电机最大转矩。计算结果如表 6 所示。表 6 电机需求计算参数 项目 数值 Pee/kW 205.963 288 5 Pim/kW 325.801 792 7 Te/(Nm)1 531.685 55 Tim/(Nm)2 422.887 602 结合资源配套及竞品配置情况，选择系统配置参数，如表 7 所示。表 7 系统配置参数 项目 参数 电机 额定功率/kW 250 峰值功率/kW 360 变速器 允许最大输入扭矩 1 750 各挡速比 2 800 经校核计算，整车满载最高车速可达 104 km/h，最大爬坡度 49%，配置限速装置后，满足实际使用工况需求。4.4 车架系统设计 车架主体采用阶梯 形结构，断面高度为 300 mm，车架纵梁选用 600 L，（8+5）mm，双层结构。市场应用成熟，计算机辅助工程（Computer Aided Engineering,CAE）分析强度满足要求。4.5 悬架、车桥及车轮系统设计 前悬架采用 9/9 多片簧，后悬架采用 10/10 多片簧，悬架总承载能力 36 t，满足整车总质量要求。转向轴选用 5 t+5 t，安全系数为 1.3，承载能力为 13 t，根据轴荷分配，整车满载前轴荷 10.23 t，前轴轴荷占比 33%，满足承载需求，轴荷分配合理。驱动桥选用 13T 双级双桥，安全系数 1.3，总承载能力 33.8 t。根据轴荷分配，整车满载后轴荷20.7 t，轴荷占比 67%，满足承载需求，轴荷分配合理。车轮选用 11.00R20-18PR，单胎负荷 3 550 kg，双胎负荷 3 250 kg，轮胎总承载能力 40 200 kg，约为总承载能力的 1.297 倍，满足选用轮胎的总承载能力应总质量的 1.4 倍的标准要求。5 结束语 针对柴油混凝土搅拌车存在的排放、系统效率低等缺点，本文开发了一种纯电动混凝土搅拌车，通过技术路线选择、系统关键总成计算校核等，重点论述了纯电动混凝土搅拌车的设计要点及计算方法，建立了产品设计开发理论依据，对于新入行设计人员快速掌握产品设计要点具有一定借鉴意义。参考文献 1 胡亚荣,张鹏,刘晓熙,等.6 m3混凝土搅拌运输车液压传动系统设计J.时代汽车,2017(1):49,51.2 李铭,杨瑞凝,李强,等.纯电动混凝土搅拌运输车分析J.汽车实用技术,2022,47(12):17-20.3 中国工业和信息化部.汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值:GB 15892016S.北京:中国标准出版社,2016.4 吕元昆,张根志,鞠新靖.混凝土搅拌车液压驱动系统及取力器匹配校核J.专用汽车,2015(7):96-101.5 张春虎,张冬雪,汪虹吉,等.基于搅拌车工作特性的电量匹配研究J.汽车实用技术,2022,47(5):13-16.