純電動(dòng)城市客車電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向泵匹配計(jì)算

時(shí)振濤， 張保國(guó)

(河南少林客車股份有限公司， 鄭州 450100)

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以其穩(wěn)定性好、舒適性高等特點(diǎn)，成為目前電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中必不可少的關(guān)鍵零部件。純電動(dòng)城市客車的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向油罐、電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向管路、轉(zhuǎn)向器組成[1]。電動(dòng)轉(zhuǎn)向油泵將轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)源電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)向助力缸工作的液壓能[2]。本文以我司某8 m純電動(dòng)城市客車為例，介紹其電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向泵的匹配計(jì)算。

1 轉(zhuǎn)向泵參數(shù)匹配計(jì)算

某8 m純電動(dòng)城市客車有關(guān)參數(shù)如下：車輪滾動(dòng)半徑407.476 mm，前軸荷4 800 kg，輪胎與地面的摩擦系數(shù)0.7，輪胎充氣壓力0.85 MPa。在電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向泵的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)中，主要包括轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向泵壓力、流量以及轉(zhuǎn)向泵電機(jī)功率的匹配計(jì)算。

1.1 輪胎原地轉(zhuǎn)向阻力矩

汽車在原地時(shí)，轉(zhuǎn)向器所受到的轉(zhuǎn)向阻力是最大的，而轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向阻力矩主要受轉(zhuǎn)向器的負(fù)荷、輪胎氣壓和路面阻力等因素的影響。針對(duì)純電動(dòng)城市客車的行駛路況，汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR可采用下列計(jì)算[3]：

式中:f為輪胎與地面的摩擦系數(shù)，取0.7；G1為車輛的前橋負(fù)荷，取47 040 N;p為車輛的輪胎氣壓，取0.85 MPa。將相關(guān)參數(shù)數(shù)值代入上述公式計(jì)算出MR=2 581.7 N·m，選型時(shí)轉(zhuǎn)向器最大輸出扭矩M應(yīng)滿足M≥MR。

1.2 轉(zhuǎn)向器輸出扭矩

轉(zhuǎn)向器把來自轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)向力矩和轉(zhuǎn)向角進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，再輸出給轉(zhuǎn)向拉桿機(jī)構(gòu)使車輪轉(zhuǎn)向[4]。由于車輪轉(zhuǎn)向的過程中存在機(jī)械損耗，本文中取轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的效率η=0.93，此時(shí)轉(zhuǎn)向器最大輸出扭矩M=MR/η。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)算出M=2 776 N·m。根據(jù)實(shí)際可選轉(zhuǎn)向器，其M為2 800 N·m。

1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力

機(jī)械式轉(zhuǎn)向器按照結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為齒輪齒條式、循環(huán)球式、蝸桿曲柄指銷式、循環(huán)球曲柄指銷式、蝸桿滾輪式等[5]。其中循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器正、逆襲率都很高，因其操縱輕便、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠而得到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)向器液壓系統(tǒng)壓力與轉(zhuǎn)向器最大輸出扭矩、活塞有效受力面積、扇形齒分度圓半徑有關(guān)。計(jì)算循環(huán)球轉(zhuǎn)向器輸出最大扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)壓力P的公式[6]如下：

P=M/S/Rf/106

式中：P為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力，MPa；M為轉(zhuǎn)向器最大輸入扭矩，取2 800 N·m；S為活塞有效受力面積，取值0.005 173 m2；Rf為扇形齒分度圓半徑，取0.044 m。代入相關(guān)數(shù)據(jù)得轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)工作壓力P=12.3 MPa。

1.4 轉(zhuǎn)向泵流量

根據(jù)汽車工程手冊(cè)[7]所述方法計(jì)算油泵理論工作流量Q1為：

Q1=60πD2TN/4/106

式中:D為方向機(jī)油缸直徑，取90 mm；T為方向機(jī)螺桿螺距，取13.5 mm；N為方向盤轉(zhuǎn)速，取1.25 r/s[8]；代入相關(guān)數(shù)據(jù)算出Q1=6.44 L/min。

在轉(zhuǎn)向泵實(shí)際需要流量的設(shè)計(jì)中，需要考慮轉(zhuǎn)向泵在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱能消耗部分功率，根據(jù)下式計(jì)算轉(zhuǎn)向泵實(shí)際中需要流量Q：

Q=(1.5～2)Q1+Q2

式中：Q2為轉(zhuǎn)向器允許的內(nèi)泄值，一般規(guī)定為0.15Q1。將數(shù)值代入上式計(jì)算出Q=11 L/min。

1.5 轉(zhuǎn)向泵電機(jī)功率

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作壓力P和實(shí)際需要的流量Q，根據(jù)公式Pr=PQ/60計(jì)算出所需轉(zhuǎn)向泵電機(jī)的額定功率Pr=2.3 kW。由于轉(zhuǎn)向泵大部分時(shí)間在輕載情況工作，只有在過載等其他情況才能達(dá)到最大功率，所以，為了提高轉(zhuǎn)向泵的效率，在設(shè)計(jì)時(shí)不宜將額定功率設(shè)置過大，在選取峰值功率時(shí)需要考慮到2倍額定功率的過載系數(shù)。

根據(jù)前文的計(jì)算結(jié)果并結(jié)合廠家提供的相關(guān)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向泵型號(hào)及參數(shù)，最終確定8 m純電動(dòng)城市客車電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向泵電機(jī)選擇為永磁同步電機(jī)[9]，具體參數(shù)如下：電機(jī)額定功率2.2 kW，電機(jī)峰值功率4.4 kW，額定電流8.5 A,流量12 L/min，壓力13.7 MPa。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了8 m純電動(dòng)城市客車的液壓助力轉(zhuǎn)向泵的匹配計(jì)算，根據(jù)前橋負(fù)荷選擇相應(yīng)的轉(zhuǎn)向器，由轉(zhuǎn)向器的壓力、流量來確定轉(zhuǎn)向泵的壓力、流量以及轉(zhuǎn)向泵電機(jī)功率等參數(shù)[10]，可供同行參考。

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[9] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).汽車液壓轉(zhuǎn)向助力泵: 第1部分 技術(shù)要求: QC/T 299.1-2014[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2014：1-12.

[10] 陳運(yùn)來，李振山,彭能嶺，等.電動(dòng)客車電動(dòng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)[J].客車技術(shù)與研究，2016,38(5):19-22.