李曉雷，李湘臣，皮志兵，馮秀將

J XK6822BEV純電動客車轉(zhuǎn)向匹配設(shè)計與測試

李曉雷，李湘臣，皮志兵，馮秀將

（江西凱馬百路佳客車有限公司，南昌330013）

以JXK6822BEV為例，通過對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中壓力、流量及電動轉(zhuǎn)向泵功率、扭矩的匹配計算并結(jié)合性能測試數(shù)據(jù)，為純電動客車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供設(shè)計思路。

純電動客車；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；匹配設(shè)計；性能測試

電動客車作為城市中的交通工具，要有較好的操縱性，較高的安全性，行駛的穩(wěn)定性和舒適性，其中操縱性中的轉(zhuǎn)向系備受駕駛員關(guān)注。現(xiàn)以我司開發(fā)的純電動城市客車JXK6822BEV為例，介紹其轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的匹配設(shè)計及性能測試。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計

純電動客車的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向油罐、電動轉(zhuǎn)向油泵、轉(zhuǎn)向管路、轉(zhuǎn)向器組成，其中與常規(guī)車不同之處在于，轉(zhuǎn)向油泵驅(qū)動形式由發(fā)動機(jī)改為電機(jī)，電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)又需要電機(jī)驅(qū)動控制器DC/AC進(jìn)行控制，電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動控制器DC/AC在整車上的防水性能尤為重要，需要進(jìn)行相關(guān)的安全性能測試。JXK6822BEV純電動客車基本參數(shù)如下：整車（長×寬×高）為8 245 mm×2 495 mm×3 235 mm；滿載前/后軸荷為4 500 kg/9 000 kg；前輪內(nèi)/外轉(zhuǎn)角為41°/32°；整車電壓550 VDC；轉(zhuǎn)向電機(jī)電壓220 VAC。

1.1 原地轉(zhuǎn)向阻力矩

轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向力矩的選擇主要受轉(zhuǎn)向軸的負(fù)荷、路面阻力和輪胎氣壓等因素影響，為此推薦使用汽車在瀝青或者混凝土路面上的原地轉(zhuǎn)向阻力矩公式[1-2]：MR=f/3，式中：f為輪胎和路面間的滑動摩擦系數(shù)，一般取0.7；G1為滿載前軸負(fù)荷，取44 100 N；P為前輪胎氣壓，取0.85 MPa。代入相關(guān)數(shù)據(jù)得MR=2 343 N·m，轉(zhuǎn)向器最大輸出扭矩MKX選取時要滿足MKX≥MR[3-4]。

1.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力

壓力是液壓式助力轉(zhuǎn)向器的重要參數(shù)之一，因?yàn)閴毫εc轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩有直接關(guān)系。由轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩公式[5]可求出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力：MK=P（S0-S1）RF，式中：MK是轉(zhuǎn)向器的輸出扭矩（N·m），P是系統(tǒng)工作壓力（Pa），S0是油缸工作面積（m2），S1是螺桿外徑所占面積（非貫穿式螺桿取0）（m2），RF是扇形齒分度圓半徑（m）。所選GX85C轉(zhuǎn)向器內(nèi)部零件參數(shù)S0=0.005 674 m2、S1=0、RF=0.044 m，當(dāng)原地轉(zhuǎn)向阻力矩MR=MK=2 343 N·m時，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的壓力P=9.4 MPa。

1.3 轉(zhuǎn)向泵排量選擇

三相異步和直流無刷電機(jī)在電動客車上應(yīng)用比較成熟。三相異步電機(jī)其轉(zhuǎn)速恒定不變；直流無刷電機(jī)可根據(jù)車輛行駛狀況進(jìn)行調(diào)整。電機(jī)在最低轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)向泵提供的流量要滿足轉(zhuǎn)向器的需求。JXK6822BEV車型所選轉(zhuǎn)向器的工作流量q0=12 L/min，三相交流異步電機(jī)[6]（4級變頻）恒定轉(zhuǎn)速n1=1 420 r/min，轉(zhuǎn)向泵的容積效率η=84%，根據(jù)流量公式q0=Vn1η×10-3可得排量V=10 mL/r。

1.4 轉(zhuǎn)向泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)向泵工作壓力取決于負(fù)載，實(shí)車轉(zhuǎn)向阻力越大，則工作壓力越大，驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵所需扭矩也就越大。由轉(zhuǎn)向泵排量[7]計算公式可知：V=2πT/△P，式中：V為轉(zhuǎn)向泵排量（m3/r），T為轉(zhuǎn)向泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m），△P為轉(zhuǎn)向泵進(jìn)出口壓差（等于系統(tǒng)壓力P）（Pa），代入數(shù)據(jù)得T=15 N·m，選擇轉(zhuǎn)向電機(jī)時，其提供的轉(zhuǎn)矩要大于15 N·m才能滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求。

1.5 轉(zhuǎn)向泵功率

轉(zhuǎn)向泵在工作時會產(chǎn)生熱能消耗部分功率，如果不考慮液壓泵在能量轉(zhuǎn)換過程中的損失，則驅(qū)動液壓泵軸的機(jī)械功率等于液壓泵輸出的液壓功率[8]，計算公式為W=π·T·n2/30 000，式中：W為轉(zhuǎn)向泵輸出功率（kW），T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m），n2為轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速（r/min）。代入數(shù)據(jù)得W=2.2 kW，選擇轉(zhuǎn)向電機(jī)時其提供的功率要大于2.2 kW才能滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的需求。

1.6 電機(jī)驅(qū)動控制器DC/AC

電機(jī)驅(qū)動控制器DC/AC接收整車控制系統(tǒng)的指令，將直流高壓550 VDC轉(zhuǎn)變?yōu)殡姍C(jī)所需要的交流電220 VAC來驅(qū)動轉(zhuǎn)向電機(jī)，并確保轉(zhuǎn)向電機(jī)高效、穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)電機(jī)的最大過載轉(zhuǎn)矩＞2T，最大過載功率＞2W特性，所選驅(qū)動控制器的功率要滿足電機(jī)的最大功率需求。電機(jī)控制原理見圖1。

通過上述的匹配計算，根據(jù)配套廠家現(xiàn)有產(chǎn)品，JXK6822BEV車型所選配件主要參數(shù)如下，GX85C轉(zhuǎn)向器參數(shù)：工作油壓13.8 MPa，工作流量12 L/min，理論最大輸出扭矩3 445 N·m；轉(zhuǎn)向泵參數(shù)：最大壓力13 MPa，控制流量11 L/min，排量10 mL/r；三相異步電機(jī)：額定功率2.2 kW，額定轉(zhuǎn)矩22 N·m，額定電流10 A，峰值電流20 A，額定轉(zhuǎn)速1 420 r/min；電機(jī)驅(qū)動控制器DC/AC：額定功率3 kW，峰值功率6 kW，輸入電壓550 VDC，輸出電壓220 VAC。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)匹配設(shè)計流程見圖2。

2 性能測試

純電動客車性能測試分為液壓系統(tǒng)測試和電器安全性能測試。

2.1 液壓系統(tǒng)測試

按照前橋定位參數(shù)對整車進(jìn)行調(diào)整，檢查輪胎氣壓，前橋加載達(dá)到設(shè)計最大負(fù)荷，在方向盤上安裝汽車轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向力-轉(zhuǎn)向角檢測儀，轉(zhuǎn)向高壓油管上安裝流量計、壓力傳感器，油罐上安裝溫度傳感器。由試車員駕駛車輛通過檢測線，在汽車前輪轉(zhuǎn)向角檢測臺上測出內(nèi)輪轉(zhuǎn)角41°、外輪轉(zhuǎn)角33°，滿足前輪轉(zhuǎn)角要求；轉(zhuǎn)向盤最大操縱力83 N，滿足GB18565[9]中規(guī)定原地檢測操縱力不得大于120 N的要求。

由試車員將車輛開進(jìn)試驗(yàn)場地，在干燥、平整的瀝青路面上以10 km/h的速度在5 s內(nèi)沿螺旋線從直線行駛過渡到直徑為24 m的圓周行駛，此時方向盤上的切向力為33 N，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力為5 MPa。

車輛靜止原地打方向盤，轉(zhuǎn)向力最大87 N，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最高壓力11 MPa；方向盤角速度向左462°/s、向右458°/s，此時電機(jī)最大電流為14 A；踩剎車原地打方向盤，最大轉(zhuǎn)向力92 N，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最高壓力13 MPa，此時電機(jī)最大電流為15.9 A。

油溫測試：先將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油溫預(yù)熱到50℃，然后以半徑為10 m的圓繞8字，車速控制在10 km/h，繞10個8字后系統(tǒng)油溫升至67.5℃，小于120℃，滿足要求。

通過上述測試可知，車輛在行駛過程中壓力小于理論值，滿足設(shè)計要求；原地轉(zhuǎn)向時最高壓力大于理論值，此時壓力為轉(zhuǎn)向器的卸荷壓力，不在考慮范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)向電機(jī)電流小于峰值電流，所選電機(jī)滿足轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求。

2.2 電器安全性能測試

試車員將整車開進(jìn)淋雨房進(jìn)行模擬暴雨試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后立即對整車、轉(zhuǎn)向電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動控制器DC/AC進(jìn)行絕緣電阻和漏電電流測量，其絕緣電阻值均為550 MΩ、漏電電流均為0.3 A，滿足GB/T18384.3 -2015[10]中的要求。

試車員將車開到涉水池邊，對整車、轉(zhuǎn)向電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動控制器DC/AC進(jìn)行測量，絕緣電阻均為550 MΩ、漏電電流均為0.3 A，滿足涉水要求。涉水池長度為50 m，需要在涉水中行駛10趟，并且每趟都需要檢查絕緣電阻及漏電電流。在300 mm深的涉水池中以5～10 km/h的車速行駛，在第3趟時測量到轉(zhuǎn)向電機(jī)漏電電流為3 A，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向電機(jī)插接件進(jìn)水，對插接件進(jìn)行防水處理后再重新進(jìn)行涉水試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后測量整車、轉(zhuǎn)向電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動控制器DC/AC絕緣電阻均為550 MΩ，漏電電流均為0.3 A。

3 結(jié)束語

本文介紹了JXK6822BEV純電動客車的轉(zhuǎn)向匹配設(shè)計，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)向油泵及轉(zhuǎn)向電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)性能測試。結(jié)合整車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)，能讓設(shè)計員更好地理解轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的匹配，從而提高設(shè)計人員的匹配設(shè)計能力。

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修改稿日期：2017-01-06

Matching Design and Test for JXK6822BEV Pure Electrical Bus Steering System

Li Xiaolei,Li Xiangchen,Pi Zhibing,FengXiujiang
（Jiangxi Kama Business Bus Co.,Ltd,Nanchang330013,China）

TakingJXK6822BEVelectric bus as an example,through matchingand calculatingthe pressure and flow in the steeringsystemand the power and torque ofthe steeringpump,the authors combine with performance test data toprovide a design thinkingfor pure electric bus steeringsystem.

pure electric bus;steeringsystem;matchingdesign;performance test

U469.72；U463.4

B

1006-3331（2017）02-0012-03

李曉雷（1985-），男，工程師；研究方向?yàn)檗D(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。