一种非公路自卸车的电辅助驱动系统及其设计方法与流程

本发明属于非公路自卸车，涉及一种非公路自卸车的电辅助驱动系统。

背景技术：

当前，我国对各类矿藏资源的挖掘能力还很有限，资源利用率相对较低，原因之一是受“运输工具”的制约。

我国南方雨季时间较长，国内传统使用的后驱式非公路车辆，因附着力不足而难以工作，其表现为：运输过程中，因附着力远小于驱动力，在坡度较大的路段会出现打滑现象；在重载爬较大坡时，司机只得挂低档并猛踩油门行驶，而此时整车的牵引力远大附着力，车辆便出现打滑甚至原地不动的现象。这种猛踩油门而车不走的状况发生时，发动机燃油效率实际很低，因燃烧不充分而冒出大量黑烟，带来环境污染。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服传统非公路自卸车存在的不足，提供一种可实现全轮驱动与后轮驱动切换，车辆为基于双动力（柴油机和电池）的非公路自卸车,从而解决非公路自卸车在爬坡时或雨季道路湿滑情况下附着力不足的问题。

本发明的核心在于：设有一个可靠的整车控制系统，便于新辅助驱动系统投入后，整机从两轮驱动切换成四轮驱动；控制系统保证适时地投入和断开辅助前驱，减少了寄生功率的产生；控制系统确保制动过程中能量的有效回收，并存储至电池。

本发明的具体技术方案是：

本发明是在 等后轮轴驱动类车型的基础上增设一个辅助电驱动系统，该辅助电驱动系统的执行部件和前转向驱动桥连接，其它电器设备通过支架与车架连接。

该辅助电驱动系统，主要包括控制器、电机、电池、电磁离合器及前转向驱动桥,其间的连接关系为：前转向驱动桥与电机通过电磁离合器连接；电机和控制器之间为电缆连接；控制器控制输入电机的电压、电流、频率等参数,达到调速调扭矩目的；电池和控制器通过电缆连接，为电驱系统提供动力。

所述电池,可以是铅酸电池或锂电池。若采用铅酸电池，其直接与控制器配合使用；若采用锂电池，则需配上对应的电池管理系统。

本发明辅助电驱动系统使用的设计方法、步骤如下：

1）、确定边界数据：

结合现有的等后轮轴驱动类车型的整车参数，矿区道路附着系数及路面不同坡度数据，对整车的爬坡性能和不同坡道上的附着性能分别进行计算，结合用户们可接受的爬坡度，设定一个辅助前驱动力的合适边界数据――即在发动机对应档位下，爬相应坡道需要的辅助驱动力的数值；

2）、计算出对应电机的扭矩值：

根据1）中确定的边界数据，结合车辆轮胎的滚动半径和前桥速比，计算出对应电机的扭矩值，该扭矩定为电机的额定扭矩；

3）、计算电机的转速范围：

结合该车发动机对应不同档位下的车速，选择一个合适的车速，并通过反向计算，求出该车速下电机对应的转速，该转速确定为电机的额定转速；结合车辆制动过程中车速集中的数据段，将该数据段的车速分别经过反算得到电机的转速范围；这个转速范围在设计或选择电机时作为依据，否则会影响电机轴承的寿命；

4）、确定电机的额定功率：

根据2）和3）确定电机的额定功率，设计或选择合适的电机；

5）、确定控制器的额定功率；

控制器的额定功率与电机保持一致；

6）、确定电池的输出电压和电池的容量：

根据5）中电机类型选择合适的电压等级，确定电池的输出电压，结合4）中的电机功率和工作时间，确定电池的容量；

7）、选择电磁离合器：

结合电机和转向驱动桥的连接形式和传递力数值，选择合适的电磁离合器。

本发明是一种安装有电辅助驱动系统的整车，系双动力的混合动力汽车：当车辆在爬大坡或湿滑路面上行驶时，该系统可解决该种路况下因附着力不足引起的打滑问题，间接地提高了此类车的出勤率；当车速大于某个设定值时，系统会自动断开，确保整车不会因车速过大而产生过多的寄生功率；当车辆在下坡或踩制动时，电辅助驱动系统可以将部分能量进行回收。该电辅助电驱动系统，既满足了生产的需求，也减少了环境污染。

本发明的特点是：

1. 该电辅助电驱动系统中，电机与前转向驱动桥通过电磁离合器连接，确保车速超过系统设定的某个值时，系统自动脱开。一方面便于电机的选型或设计，另一方面防止高速情况和全驱状态下，整车功率内循环引起的功率损失。

2. 该电辅助电驱动系统，分别就车辆空、满载情况，对应设定两个电机输出扭矩值，因为空载状态下整车附着力较满载状态小许多，且重心位置不同，前后轴承载的重量也会有差别。

3.该电辅助驱动系统，有效地应用了电动汽车中回收制动能量模块。调研得知：非公路自卸车每运输一个周期，其往返路程是相同的，即如果重载上坡，其回程为空载下坡，也就是说，上坡时需要整车有足够的牵引力，下坡时需要整车有足够的制动力。制动过程的能量回收30%左右。

本发明的有益效果是：

1）解决了传统后轮驱动的非公路自卸车在爬坡时或雨季道路湿滑情况下的附着力不足问题；

2）比传统机械全驱传递效率提高约10%；

3）系统适时投入，适时断开，有效防止因功率内循环产生的功率损耗；

4）双动力的投入，减少了对环境的损害。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明之电辅助驱动系统的结构原理示意图；

图2是电机控制系统结构框图；

图3是整车的系统结构布局示意图；

图4是整车重心及坡道受力示意图，

图中，1.前转向驱动桥、2.电机、3.控制器、4.电池、5.电磁离合器、6.发动机、7.变速箱、8.后驱动桥。

具体实施方式

实施例　一种非公路自卸车的辅助电驱动系统

在原车型的基础上，再增设一个电辅助驱动系统，该电辅助驱动系统的执行部件和前桥连接，其它电器设备通过支架与车架固定。

该电辅助驱动系统，如图1（电辅助驱动系统的结构原理示意图）和图3（整车的结构布局示意图）所示：主要包括前转向驱动桥1、电机2、控制器3、电池4、电磁离合器5。前转向驱动桥1与电机2通过电磁离合器5连接；电机2和控制器3之间为电连接，并直接接至电机2的输出端；电池系统4为电机2提供动力。结构件间连接形式需满足国家电动汽车标准，电器连接方式需满足对应H级绝缘，IP55以上，信号的抗干扰性需满足电动汽车的标准。

图1中，前转向驱动桥1属纯机械结构，是一种有转向机构、主减速器和轮边减速器集中在桥包中的传统桥，该桥既有转向作用，又有减速增扭作用；电机2和控制器3是通过软电缆连接（具体线缆规格参数通过电机的额定电流及最大允许通过电流决定），控制器3和电池4通过跨接软电缆连接。控制器3的主要作用：前转向驱动桥1对电机进行扭矩控制，转速自适应方式，确保整车协调运动；电机2对整车车速进行实时跟踪，保证车速在临界车速范围内，自动切断控制器3对制动能量回收进行管控；电池4为电机2和控制器3供电；控制器3对电机2自动做频率、电流、电压调节,达到控制电机2输出转矩和输出转速的目的；显示单元与控制单元通过RS232协议进行通讯，将电机的工作电压，电流，输出转速，输出扭矩等参数做实时显示。

图2显示了本实施例之电机控制系统结构。电机控制系统为双闭环负反馈控制系统，外环通过实时检测电机转速，对电机的转速进行实时跟随控制输出转速；内环通过IGBT对电机的相电流进行实时监测、比较和调整以达到控制扭矩目的。

图3显示整车系统的结构布局，图中1.前转向驱动桥、2.电机、3.控制器、4.电池、5.电磁离合器、6.发动机、7.变速箱、8.后驱动桥。整车辅助电驱系统（由前转向驱动桥1，电机2，控制器3，电池4，电磁离合器5构成）充分利用了前桥的附着力，在整车附着力不够情况下，即时启动为整车提供牵引力；整车主动力系统（由发动机6、变速箱7及后驱动桥8构成）一直为整车提供行驶牵引力。

图3中的电磁离合器5,可通过短的连接轴（具体尺寸，根据空间布置需要确定）和前转向驱动桥1连接；电机2与电磁离合器5之间，可通过花键或花键轴连接（具体尺寸，结合空间布置需求确定）。

本实施例之电辅助前驱系统设计的使用方法、步骤如下：

1）、结合现有的一款车型的整车参数，矿区道路附着系数及路面不同坡度数据，对整车的爬坡性能和不同坡道上的附着性能分别进行计算，结合目前矿区常见最大爬坡度，设定一个辅助前驱动力的合适边界数据。

例，目标车型整车整备质量52t，空载质量19t，前后轴荷比：空载时近似50%：

50%，满载时约30%：70%。最大坡度20%，不同路面下的附着系数和滚动阻力分别为：

经过统计，空载时前1,2,3档雨季土路，泥泞土路1,2，雨后压紧土路，半松散土

路或一般路面上无论哪种坡道行驶，附着力小于牵引力，但是附着力大于行驶阻力，车辆行驶过程中会有打滑现象；空载时4档爬坡，泥泞土路最大爬坡度12%，泥泞土路1最大爬坡度14%，泥泞土路2最大爬坡度16%，雨后压紧土路最大爬坡度20%，其它路面满足最大爬坡度20%的要求。综合上述边界最大爬坡度对应的前轮附着力数值，若在前轮加装辅助驱动力，综合比较后应取前轮助力8000N。

图4为整车重心及坡道受力图，下表为图中符号的意义，具体计算公式如下。（同理，满载时综合比较后取前轮助力13500N左右。）

以后轮接地点为中心取距，有

垂直于坡道方向受力平衡，有

可得，

定义整车牵引力 ，附着力 ，附着系数为 ，行驶阻力

附着力

前轮附着力

后轮附着力

车辆顺利爬坡或正常行驶的依据为

2）、根据1）中确定的边界数据，结合车辆轮胎的滚动半径和前桥速比计算出对应

电机的扭矩值，该扭矩为最大扭矩还是额定扭矩，取决于1）中边界数据的大小。

例，前轮的滚动半径取0.66m，前桥速比取10.72，经过计算可知需要电机的扭矩分别为：579.2Nm和1000Nm，由牵引力与传递扭矩的关系可知，电机输出扭矩M，具体计算方法如下，式中F大小为上述确定的两个力的边界数据。因为电机选型时，主要依据为额定扭矩，又结合上述计算得到电机的最大输出扭矩可达到1000Nm左右，最终结合不同电机峰值扭矩和额定扭矩的过载系数不同，最终确定电机的额定扭矩（如普通异步电机、永磁交流电机配控制器后过载系数约为2，永磁无刷直流电机过载系数为1.5左右）

3）、结合该车型发动机对应不同档位下的车速选择一个合适的车速，并通过反向

计算出该车速下电机对应的转速，该转速确定为电机的额定转速。结合车辆制动过程中车速集中的数据段，将该数据段的车速分别经过反算得到电机的转速范围，这个转速范围在设计或选择电机时作为依据，否则会影响电机轴承的寿命。

例，根据设计经验，一般选择车速在10km/h左右电机和前桥保持脱开，此时对应

电机的转速约为400rpm。整车制动过程车速集中在26~30km/h，对应的转速约为1200~1300rpm。

4）、根据2）和3）确定电机的额定功率，设计或选择合适的电机。

例，辅助前驱系统目前可使用的电机类型有：永磁无刷直流电机，三相交流异步

电机及永磁同步电机，综合控制精度在后面两个类型的电机中进行设计选型电机额定扭矩取700Nm，额定转速约400rpm，额定功率约30KW。

5）、根据4）确定控制器的额定功率；

控制器的额定功率与电机保持一致；确定控制器的额定工作电压与电机额定电压相同。

例，若按照上述电机的功率进行选型，电机的输入电压一般都在400V或400V以上，电机控制器电压级别需与其一致，额定功率30KW。

6）、确定电池的输出电压和电池的容量：

根据5）中电机类型选择合适的电压等级，确定电池的输出电压，结合4）中的电

机功率和工作时间，确定电池的容量；

例，如果按照上述30KW选择，若假定辅助驱动系统一天的总工作时间约1h，若

电机一直在满功率工作，那么电池的容量应不小于30KWh。

7）、选择电磁离合器：

结合电机传递扭矩数值，选择合适的电磁离合器（5）。

例，如果按照上述传递的扭矩大小，应该选用额定传扭不小于700Nm的磁粉离合器。