（机械电子工程专业论文）单发动机清扫车动力系统研究.pdf

摘要 随着我国社会经济水平和文明程度的不断提高，清扫机械越来越多地用于城市环卫、 公路养护甚至公路施工等很多领域，已经成为数量众多、装机功率大、使用频繁的专用 机械之一。目前，国产清扫车基本采用双发动机动力源，即一台发动机驱动行驶系统， 另一台驱动清扫工作装置，这样的动力系统必然造成功率利用率低、油耗上升、生产成 本和使用成本大、尾气排放量大、噪声大等一系列弊端。 本文旨在研究节能环保型单发动机清扫车专用底盘动力系统，在分析清扫车工作特 点及性能要求的基础上，制定出新的单发动机动力系统方案。其中主要研究从底盘发动 机获取动力的途径和方法，设计出一套科学的取力方案，并完成全功率取力器的主要参 数设计和结构设计。根据清扫车作业时的行驶速度和牵引力，高压离心风机的驱动扭矩 和转速及液压系统、水路系统的驱动扭矩和转速的要求，制定科学合理的动力分配方案。 通过对动力系统中发动机最佳工作转速的优化选择，确定取力器输入轴与各输出轴的传 动比，实现发动机、行走系统与工作装置间动力的合理分配，达到低油耗、低排放的目 的。对其齿轮传动进行必要的校核，验证了其可行性。本文所研究的单发动机清扫车专 用底盘相对于传统的双发动机底盘可以节省装机功率7 0 k w ，节省燃油消耗1 3 l 1 0 0 k m ， 减少碳排放量9 3 2 1 9 k m ，降低噪声8 d b ，节能和环保效果显著。这种底盘也可用于其 它以自行底盘为基础、需要大功率输出的工程机械和养护机械。 关键词：清扫车，单发动机，动力匹配，全功率取力器 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h e h i g h w a yc o n s t r u c t i o na c c e l e r a t i n gp r o c e s s ，h i g h w a ym a i n t e n a n c e m a c h i n e r i e sh a v ed e v e l o p e db yl e a p sa n db o u n d s s w e e p e r sa r eaw i d e l yu s e dm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n gv e h i c l e s ，t h e yn o to n l ya r eu s e df o rh i g h w a ym a i n t e n a n c e ，b u ta l s oi nu r b a nr o a d s c l e a n i n ga n dm a i n t e n a n c e b u t 、) l ，i t l lv e h i c l e si n c r e a s i n g ，f u e lc o n s u m p t i o na n de x h a u s t e m i s s i o n sa r eg r o w i n g ，w h i c hr e q u i r et oi m p r o v ea n di n n o v a t et h en e wv e h i c l e st or e d u c e t h e m t r a d i t i o n a lr o a d s w e e p e r s h a v e d u a l e n g i n ep o w e rs o u r c e ，t h a t m e a n so n e e n g i n e - d r i v e nd r i v ew a l k i n gs y s t e m ，a n o t h e rd r i v es w e e p i n gd e v i c e s ，t h ed r i v e t r a i ni n e v i t a b l y l e a dt ol o wu t i l i z a t i o na n df u e lc o n s u m p t i o n ，e x h a u s te m i s s i o n s ，n o i s ei n c r e a s e ，a n ds oo n t h i sp a p e rs t u d i e st h ed r i v e t r a i no fs i n g l e e n g i n es w e e p e rs p e c i a lc h a s s i s ，b a s e do n a n a l y s i so fv e h i c l ec h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i n gf e a t u r e s ，t om a k ean e ws i n g l e e n g i n e d r i v e t r a i np r o g r a m t h em a j o rs t u d yi st of i n dm e t h o dt oo b t a i np o w e ro ft h ec h a s s i se n g i n e ， d e s i g nas e to fs c i e n t i f i cp r o g r a m s ，c o m p l e t et h em a i np a r a m e t e ra n dt h es t r u c t u r a ld e s i g no f t h ep t oo ff u l l p o w e r a c c o r d i n gt ot h es w e e p e ro p e r a t i n gs p e e da n d t r a c t i v ee f f o r t ， h i g h p r e s s u r ec e n t r i f u g a lf a nd r i v et o r q u ea n dt h es p e e d ，h y d r a u l i cs y s t e ma n dw a t e rs y s t e m d r i v et o r q u ea n ds p e e dr e q u i r e m e n t s ，m a k eas c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l ep r o g r a mo fp o w e r d i s t r i b u t i o n b a s e do nt h es e l e c t i o no no p t i m i z a t i o no fe n g i n es p e e d ，d e t e r m i n et h ep t o s t r a n s m i s s i o nr a t i oo fi n p u ts h a f ta n dt h eo u t p u ts h a f t ，m a k et h em o t i v a t i o nr a t i o n a ld i s t r i b u t i o n t h a ta m o n gt h ee n g i n et h ep o w e rs y s t e ma n dt h ew o r kd e v i c e s ，t oa c h i e v el o wf u e l c o n s u m p t i o na n de x h a u s te m i s s i o n s c h e c kt h eg e a rt r a n s m i s s i o na n dv e r i f yi t sf e a s i b i l i t y t h i sp a p e rs t u d i e das i n g l e e n g i n es w e e p e rs p e c i a lc h a s s i sr e l a t i v et ot h et r a d i t i o n a l t w o e n g i n ec h a s s i sc a ns a v ei n s t a l l e dp o w e r7 0 k w , f u e lc o n s u m p t i o n13 l 10 0 k m ，r e d u c e c a r b o ne m i s s i o n s9 3 21g k ma n dn o i s e8 d b ，e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n r e s u l t sa r eo b v i o u s t h ec h a s s i sc a na l s ob eu s e df o ro t h e rt ot h e i ro w nc h a s s i s b a s e da n d r e q u i r e sh i g hp o w e ro u t p u to fe n g i n e e r i n gm a c h i n e r ya n dm a i n t e n a n c em a c h i n e r y k e yw o r d s ：s w e e p e r ，s i n g l e e n g i n e ，p o w e rm a t c h ，f u l lp o w e rt a k eo f f i l 长安大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早瑁下匕 1 1 道路清扫车综述 随着我国社会主义现代化建设事业的迅速发展，公路交通的现代化日益显示出自己 的重要性。在综合运输体系中，公路运输占有重要位置和比重。公路客运量和货运量分 别占着8 0 和7 4 ，公路交通的现代化对于国民经济和社会主义发展有着重要的战略意 义。 国家根据发展综合运输体系为主轴的交通事业的总方针，提出了建设“公路主骨架、 水运主通道、港站主枢纽的交通建设长远设想。根据这一设想我国要重点建设以高等 级公路为主体的国道主干线系统。 中国公路里程持续增长，2 0 0 9 年底，全国公路总里程达3 8 6 0 8 万公里，比0 8 年末 增加1 3 0 7 万公里。其中，国道1 5 8 5 万公里，省道2 6 6 0 万公里，县道5 1 9 5 万公里， 乡道1 0 1 9 6 万公里，专用公路6 7 2 万公里，村道1 8 3 0 0 万公里。公路技术等级和路面 状况也在进一步提升，全国等级公路里程3 0 5 6 3 万公里，比0 8 年末增加2 7 7 7 万公里， 占公路总里程的7 9 2 。中国高速公路也保持着高速发展，到2 0 0 9 年底全国高速公路 的通车总里程达6 5 万公里，中国高速公路通车总里程继续居世界第二位。 随着高等级公路的加速修建，高等级公路的养护作业现代化问题已经提上了议事日 程。高等级公路要求保证交通畅通，美观的路容、站线环境和良好的技术状态。在高等 级公路上作业的养护机械应该具有高的行驶速度，以便在前往作业地点和返回的过程中、 能符合高等级公路对车辆行驶速度的要求，并在尽可能短的时间内完成养护作业，以便 尽量减少对交通的妨碍。原来手工劳动的养护方式或以拖拉机为基础发展的各种悬挂和 拖挂式的小型机具已经完全不能适应高等级公路养护作业的要求了，特别是对那些像清 扫作业这样工作量大的日常养护工作，更急需发展高速、高效率、高性能的清扫机械。 现代城市的规模不断发展扩大，城市道路的里程不断增加，随之而来的是大量的人 流、车流以及道路垃圾的越来越多，需要清理频率也越来越快。如果每天仅仅依靠人力 清理、运输已很难满足需要，使用道路清扫车这种机械化养护方式己成为必然趋势。从 清扫车的有关国内销量资料来看：2 0 0 0 年行业总量为5 0 0 台，2 0 0 1 年为6 0 0 台，2 0 0 2 年为7 5 0 台，而到2 0 0 3 年就达到了1 0 0 0 台，这其中还不包含相当数量的进口产品。在 东部沿海经济发达地区，道路清扫车市场发展很快，已率先进入道路清扫机械化时期。 有资料显示，在北京、上海、广州和深圳等大中城市，道路清扫车的保有量已超过3 0 0 第一章绪论 台，目前在正向中西部地区扩展，由此可见道路清扫车的市场发展潜力巨大。 但由于汽车工业高能耗、高排放的缺点，随着汽车数量的增加，必然会增加能源的 消耗及空气、环境等的污染，因此在清扫车上实现节能减排的意义也更加重大。 1 1 1 清扫车的功能特点 道路清扫车是路面清扫装置与车体的总称，实体如图1 1 所示。清扫装置安装于车 架上，主要由水箱、扫刷( 盘刷、圆柱刷) 、提升油缸、扫刷作业调整机构和驱动系统 等组成。清扫装置由铰接轴连接于车架底盘上，提升油缸将其提升绕铰接轴旋转离开地 面，便于车辆的转向及非工作时行驶的需要。横置的圆柱刷固定于刷轴上，按一定间距 以刷轴中心线平行排列，便于垃圾扫向路肩。水箱顶部有加水口及加气口直接与车辆储 气包相连，通过气阀开关使水箱内保持一定压力( 若车辆未装备储气包，则需安装水泵， 将水箱中的水泵送入喷水管路) 。喷水管路与水箱底部相连，管路上安装喷嘴以保证相 当好的雾化水喷向地面，喷水量可通过喷水管路上的节流阀进行调节。 图1 1 路面清扫车 为了使扫刷在清扫时能精确定位( 即扫刷与地面保持特定接触方位和接地压力) ， 在车架和清扫装置之间采用环链连接，通过悬挂不同的链环节来实现扫盘的定位。扫刷 采用液压马达驱动，为了操作的快速、方便，管路连接均采用自封式快速接头【l 】。现代 道路清扫车其主要工作装置包括：底盘车架、清扫作业扫刷，吸送垃圾的吸口、风机以 及用于垃圾收集的箱体。清扫车工作时，扫刷首先接触地面并开始转动，地面的垃圾灰 尘随着扫刷的旋转向吸口处集中；同时吸口下降至近地点，风机抽吸空气在吸口处形成 2 长安大学硕士学位论文 负压，将聚集在吸口处的垃圾灰尘吸送至垃圾箱内储存起来。清扫车作业的同时，扫刷 上安装的喷水管向扫刷喷送雾状水进行尘降，有效避免了空气的二次污染。 道路清扫车有两种工况。一是清扫作业工况，即底盘低速行走，工作装置执行清扫 作业，车辆行驶速度一般控制在一档范围内，此时牵引所需功率很少，而驱动清扫装置 所需的功率很大。二是运输转场工况，即完成清扫作业后，清扫车的工作装置停止运转， 车辆需要快速转场后倾卸垃圾，这时工作装置不消耗功率，而行驶所需的牵引功率较大。 国内现有的清扫车设计基本都是在二类汽车底盘上加装清扫装置而成，但从这类底盘上 取出的功率非常有限，通常无法满足清扫车工作装置的功率需要，所以大多数清扫车又 设置了专用的副发动机为工作装置提供动力，形成一辆车配备两台发动机的现状。而装 备两台发动机的清扫车在这两种工况下，发动机功率的利用率都不高。在清扫作业工况， 为行走提供牵引力的主发动机由于车速较低，其功率利用率很低；在运输转场工况，工 作装置的副发动机则停止运转，所以两台发动机都不能充分发挥其动力性能。相反，两 台发动机所产生的制造成本、空间占用、燃油消耗及废气排放量等却大大增加。所以， 研发单发动机清扫车专用的底盘对于提高整机作业效率、降低制造成本和使用成本，降 低燃油消耗和废气排放等方面都具有重要意义。 1 1 2 国内外清扫车发展状况 清扫车自研制成功以来，其结构组成、使用性能等在国内外都经历了多年实际应用 和理论研究，如今已成为机电液一体化的工程机械智能车辆。 l 、国内清扫车发展 自二十世纪7 0 年代以来我国的环卫部门已经研制了几种类型的清扫车，但它们主 要用来供城市街道清扫，而且多数性能不高，效率较低。例如天津环卫设备厂生产的纯 吸式清扫车，由于受底盘车宽限制，吸口不能外伸，无法吸走隔离带角及护栏下的垃圾、 灰尘，所采用的布袋除尘方式易于堵塞，清除困难，严重影响吸尘效果，给操作使用带 来很大困难。又如北京清洁机械厂生产的纯扫式清扫车，采用机械方式收集垃圾，对于 细小微粒垃圾、尘土的收集效果差，且容易扫起灰尘，造成二次污染【2 j 。 2 0 世纪末期是我国清扫车发展最快的阶段。清扫车的使用不但从大中城市扩展至小 城市、高速公路，而且不少企业、居民小区也采用清扫车进行路面清扫。市场需求的迅 速膨胀使得各种类型和各种规格的吸扫式清扫车不断涌现。目前，我国清扫车多数为2 8 吨的汽车底盘改装。这种清扫车转场速度快，适合于大面积、远距离清扫，常用于城 第一章绪论 市主干道、城乡接合部及高速公路的路面清扫作业。近年来，随着清扫车市场的扩大， 对清扫车的要求也在发生变化。中小型全液压清扫车采用单台发动机动力，具有油耗低、 行驶无级变速、清扫效果好、清扫效率高及驾驶室视野好等优点，备受用户青睐，特别 是非城市街道和非公路清扫车用户。为此，不少清扫车生产企业开发了多种规格的专用 底盘中小型全液压清扫车。 2 0 0 0 年之后，国内清扫车市场继续呈现快速发展的态势。长沙中标公司、天津扫地 王公司、扬州盛达公司及烟台海德清洁机械公司等专业生产厂家，均获得了较好的发展 势头。随之而来，常林股份有限公司、三一重工股份有限公司等企业也开始进入路面清 扫车的研发和生产，并取得了较好的发展。目前，国产清扫车的品种规格、使用性能已 基本满足国内的需求，产品规格从2 - - 8 吨形成系列化【3 1 。与国外相比，大型产品所占比 例较少，产品品种少，产量也较低。 2 、国外清扫车发展 清扫车在国外已有几十年的发展与使用历史。根据清扫机构的工作形式，清扫车分 为真空吸扫式和刷式两大类。前者是利用负压收集垃圾，后者是先用圆柱刷将垃圾集中 到皮带机上，然后再送入垃圾箱中，或直接抛入垃圾料斗内。由于真空吸扫式清扫车较 刷式清扫车具有工作速度高，环境污染小等优点。因此，真空吸扫式清扫车在欧美普遍 采用，真空吸扫式清扫车也是当今路面清扫车的发展方向。国外生产路面清扫车的比较 著名的公司有日本的k a t o 、东急、富士、车岗，英国的j o h n s t o n ，美国的e l g i n ， 德国的f a u n k u k a 公司等【4 】。它们根据使用范围和要求的不同，生产出许多不同类型 与规格的路面清扫车。国外真空吸扫式路面清扫车的工作装置( 圆柱刷、盘刷及吸口) 在整机中的布置有多种形式，常见的有下述几种。 1 ) 双盘刷，单吸口； 2 ) 双盘刷，单圆柱刷，单吸口； 3 ) 双盘刷，双吸口，单圆柱刷； 4 ) 单盘刷，单吸口，单圆柱刷。 此外，还有单盘刷，单吸口；三盘刷，单吸口等。 3 、底盘发展状况 清扫车发展至今，双发动机清扫车一直属于主流产品，其底盘发动机只提供行驶系 统的动力，而副发动机负责为清扫工作装置提供动力。在车辆进行清扫作业时，底盘发 动机提供的行走功率只占发动机总功率的2 0 - 3 0 ，发动机并没有工作在最佳经济区， 4 长安大学硕士学位论文 这样势必造成油耗增加、噪声增大、排出的废气量也随之增大。而副发动机只在清扫作 业时工作，其功率利用率也很低，同时两台发动机工作的噪声更大等问题。从清扫车的 发展来看，在研究工作装置的自动化( 采用自动跟踪、自动调节系统的作业装置) 以及 减少二次污染的同时，开发高性能、高质量的单发动机清扫车，提高清扫车装备功率的 利用率是十分重要和必要的，对于节约能源和改善环境具有非常重大的现实意义。 1 2 清扫车的动力系统 1 2 1 清扫车底盘类型 国外用于高速公路清扫车的底盘大体上可分为三类： l 、一类是专门为清扫车机械设计的专用底盘，典型的例子是德国的s c h m i d t 公 司的4 0 0 0 型清扫车，该车采用全液压驱动的传动系，工作速度和行驶速度可以从0 k m h 到8 0 k m h 无级任意选择，工作速度稳定，高低速的适应性极佳。深度的挡风玻璃和窗 玻璃保证了极宽的驾驶室视野。国外许多城市用的清扫车也多采用全液压驱动的底盘， 如英国的s k 1 5 0 型街道清扫车等，只是速度的调节范围较低，大都在0 1 5 k r n h 之内， 此类专用底盘，通常吸尘和行驶系统共用同一动力源，这样可更好地利用发动机的功率， 提高作业的燃料经济性。 2 、第二类是在通用的多功能底盘上安装清扫车作业装置。典型的例子是德国b e n z 公司的u n i m o g 通用底盘，此类底盘的速度范围宽，能很好满足清扫车高速行驶、低 速作业性能的要求，且可安装种类繁多的工作装置，兼作其它养护作业之用，达到一机 多用之目的。但底盘本身结构复杂、制造成本较高，且由于考虑能安装多种作业装置， 缩小了底盘平台的自由空间，因而往往使水箱和垃圾箱的容量受到了限制。 3 、第三类是在汽车底盘的基础上加以改造，形成适用于清扫作业要求的清扫车专 用底盘。这是国外高速公路用清扫机械采用最多的一种底盘形式。汽车底盘改造工作的 主要特点是：l 、) 加设左右两套方向盘和操纵系统。在高速公路上，车速高、车流量大， 由于轮胎在路面上高速行驶的空气动力作用，使散布于路面的垃圾集中在车行道的两侧， 左右设置两套操作系统，利于在顺行清扫两侧垃圾带时，观察作业情况。2 、) 低速范围 的扩充，国外用于高速公路的清扫车通常最高车速8 0 - 1 0 0 k m h ，所以空程行驶或运送 垃圾时效率是很高的。清扫作业时工作速度一般在2 - 3 0 k m h 范围内，国外机型确定较 宽的工作速度范围是考虑对于不同数量和性质的垃圾可以有不同的选择，以便更好地适 应不同的清扫作业需要，从而提高作业的效率。在垃圾较多时，可选择较低的工作速度， 第一章绪论 一般在o 1 0 k m h 左右，较高的工作速度则可用在垃圾少或轻质垃圾的场合，例如用来 清扫街道的中央部分和进行第二次复扫。3 、) 许多国外机型对驾驶室的视野给予了特别 的关注，通常都采用平头车型，并扩大了前窗的玻璃，特别是延伸至较低的部位，以使 驾驶员更好地观察清扫作业的进展情况。 综上所述，国内外清扫车所使用的底盘中以第三类最多，尤其是国内的大中型清扫 车基本上全部采用通用的汽车二类底盘进行改装，因此，开发国内清扫车的专用底盘具 有十分广阔的前景。 1 2 2 清扫车动力系统构成方式 目前，我国在参考国外先进技术的基础上研制开发出适合国情，性能先进、可靠性 好的系列清扫车产品。这些清扫车工作装置的动力传动系统分别采用两种动力传动方式 单发动机系统和双发动机系统。 1 、单发动机动力系统传动方式 单发动机动力系统是指清扫车仅采用一台发动机同时作为行走和工作装置的动力 源，其中又分为定型汽车底盘和自行设计的专用底盘两种型式。 ( 1 ) 定型汽车底盘的单发动机传动方式 该传动方式由于采用定型汽车底盘，底盘发动机作为整车的动力源。工作装置的动 力需在底盘发动机上取力，一般取力位置在车辆底盘变速箱后部加装减速取力器，以便 清扫车工作时，实现各部分动力的需要。即发动机在较高转速下即满足工作装置动力的 需要，同时又满足车辆低速行驶的需要。减速取力器型式根据工作装置传动方式决定。 一般来说，该取力器只具有一个输出端，即风机传动输出端。其中风机传动又分为机械 ( 皮带) 传动及液压传动两种方式。 该传动方式的清扫车，制造成本低、噪声低，一般设计为5 6 k m h 的清扫速度范围， 基本能满足一般城市道路的清扫需要。因此，在我国清扫车研制开发的早期阶段采用较 多，如山西研发的拖式清扫车。但这种型式的清扫车清扫范围窄，在起步阶段或遇到障 碍减速行驶时清扫不干净，且行走部分与工作装置部分动力的需求难以科学匹配，因此 该传动方式目前很少采用。 ( 2 ) 自行设计专用底盘的单发动机传动方式 随着液压元器件性能及质量水平的提高，电控技术的不断成熟和制造工艺水平的不 断提高，近年来正在逐步推出自行设计专用底盘、单发动机全液压驱动的清扫车。该车 6 长安大学硕士学位论文 型机动灵活、油耗低、噪声小、操作舒适、技术含量高、价格适中，是代表小型清扫车 技术水平发展方向的领先车型。该传动方式一般由发动机通过变速箱驱动3 - - , 4 个油泵， 分别作为行走部分、风机传动及其它工作装置的动力源，其动力传递路线如图1 2 所示。 液压元器件大都采用国际品牌产品，保证产品的可靠性。同时，电控部分大都采用了单 片机控制，以提高产品的自动化程度和操作的舒适性。 图1 2 动力传递路线 2 、双发动机动力系统传动方式 双发动机系统传动方式的清扫车，一律采用定型汽车底盘改装，底盘发动机为行走 提供动力，省略了行走部分的设计制造需求，同时确保了行走部分的独立性、可靠性。 工作装置部分单独采用一台副发动机作为动力源。该传动方式克服了单发动机传动方式 的不足，能够确保清扫车使用性能的需要，为目前国内清扫车的基本传动方式。从世界 范围来看，也是大型清扫车的首选传动方式。但是，这种传动方式存在诸多弊端( 见1 1 1 和1 1 2 ) ，因此小型清扫车正在逐步转为采用单发动机全液压传动方式【5 j 。 1 3 实现清扫车单发动机动力系统的意义 现有的清扫车绝大部分都是采用双发动机动力系统，由副发动机驱动其工作装置。 由于加装了副发动机，还必须配置发动机的相关附件及控制装置，增加了制造成本。同 时工作噪声增大，油耗高，造成使用成本上升。而且大部分副发动机都是采用欧i 排放 标准的机型，而清扫车基本是在市区使用，对环境的影响不容忽视。若采用单发动机动 力系统，从底盘发动机取力驱动工作装置，则整机油耗、噪声及成本都得以有效降低。 但由于常用来改装清扫车的汽车二类底盘的发动机都不带专用的大功率取力口，需要从 变速箱上取力，这就不可避免地受到汽车离合器影响。即需要换挡时以及变速箱空挡时， 工作装置的动力即被切断。对于某些动作来说，比如扫刷，只要一停止就会漏扫，严重 影响清扫效果。而且，风机转速瞬时不稳定将导致吸力下降，使垃圾在吸入途中掉落， 这是单台发动机动力系统必须解决的技术难题，这也成为清扫车大部分采用副发动机驱 7 第一章绪论 动工作装置的一个重要原因。 随着社会的发展进步，市场呼唤能满足各种需求的清扫车，将从多功能、环保、经 济等方面提出更多、更高的要求。目前的清扫车尾气污染和噪音污染相对来说都较大， 随着国家对环保要求越来越高，人们环保意识的普遍增强，现有清扫车就将很难适应需 要，因此开发环保型清扫车势在必行，单发动机驱动清扫车的应用前景非常远大。 目前几乎所有的工程机械车辆在作业和使用过程中都或多或少的存在发动机功率 利用率低、燃油消耗率高、并带有尾气排放量高等弊病。若能研制出具有单发动机动力 系统的清扫车，使其在节能环保领域得以发展，那将为更多类型的工程机械车辆提供借 鉴，保证动力系统动力性、经济性的同时改善车辆的燃油利用率和尾气排放量等性能， 最终实现作业绿色化机械。 1 4 本文的主要内容及关键技术 1 4 1 论文主要研究内容 论文主要内容包括以下几个方面： l 、分析国内外清扫车的结构组成、工作原理、工作装置、动作要求以及工作模式 并进行力学和动力学分析，以确定主流清扫车的动力需求。 2 、研究单、双发动机清扫车动力系统在满足清扫车动力需求过程中在装机功率、 功率利用率、燃油消耗、废气排放、噪声污染等方面的差异及利弊。 3 、根据清扫车的工作方式以及对动力系统的总体需要，分析论证单发动机动力系 统在清扫车上应用的可行性。 4 、根据清扫车各种工作装置对动力形式和量值需要，确定单发动机清扫车动力系 统的传动方案。重点分析不中断动力的、大功率取力分动箱传动方案。 5 、运用数学方法对所制定的动力系统方案模型进行包括动力匹配、结构参数等计 算。对取力器进行结构设计，包括齿轮传动比、齿数及模数等的设计计算，并进行校核。 6 、通过对清扫车发动机燃油及排放量计算，对比单、双发动机两种动力系统在装 机功率、燃油消耗及排放量等方面的差异。 1 4 2 论文的关键技术 在完成单发动机清扫车动力系统研究及设计中，要解决以下关键技术难题： 1 、确定满足主流清扫车工作装置动力需要的传动方案。主要满足高压风机的大功 率、高转速动力输出；各液压回路液压泵的输出扭矩、转速匹配；取出动力的不中断输 8 长安大学硕士学位论文 出。 数。 2 、确定清扫车作业工况下发动机的工作转速，并以此为依据确定取力器的主要参 3 、验证该单发动机动力系统是否在最佳工作区域，判断此时的燃油耗率、废气排 放量等参数，是否符合国家甚至国际标准。 9 第二章单发动机清扫车动力系统方案研究 第二章单发动机清扫车动力系统方案研究 2 1 双发动机清扫车的系统构成 2 1 1 清扫车的工作情况 道路清扫车作为环卫设备之一，是一种集路面清扫、垃圾回收和运输为一体的新型 高效清扫设备。它不但可以清扫垃圾，而且还可对道路进行除尘净化，既保证了道路的 美观，维护了环境的卫生，维持了路面的良好行驶状况，又减少和预防了交通事故的发 生以及进一步延长了路面的使用寿命。 目前的清扫车主要以真空吸扫式为主，一般由底盘、副发动机、风机、盘刷、垃圾 箱、吸嘴、液压系统、电控系统等组成，如图2 1 ( 俯视图拆除了垃圾箱、风机等) f 6 l 。 其中垃圾箱、风机、副发动机、盘刷等安装在副车架上并通过副车架固定在底盘车架的 大梁上，通常把副车架及其上的工作装置称为上装。垃圾箱的后部有箱门，需要倾倒垃 圾时，箱门打开，垃圾箱在油缸的作用下绕铰轴8 转动，垃圾从箱内被倒出。风机的吸 口与垃圾箱连通，垃圾箱通过吸管与吸嘴连通，盘刷可以升降收放。 图2 1 清扫车结构 1 汽车底盘；2 副发动机；3 风机；4 一前盘刷；5 后盘刷；6 垃圾箱；7 吸嘴；8 铰轴 1 0 长安大学硕士学位论文 副发动机通过皮带传动驱动风机旋转，在离心风机的抽吸下，使垃圾箱、吸嘴内产 生负压并在吸嘴内产生高速气流。通过前后四个盘刷把路面垃圾汇集在吸嘴的吸入范围 内。在负压和气流的作用下，垃圾通过吸嘴进入垃圾箱，并在垃圾箱内沉降。此外副发 动机还带动液压泵驱动液压马达及油缸来控制盘刷的旋转及提升、吸嘴的升降等动作。 其中垃圾箱门的开闭、垃圾箱的升降及冲洗泵除可以由副发动机驱动的液压泵带动外， 还能通过底盘变速箱取力驱动的液压泵带动，便于在不启动副发动机的情况下实现倾倒 垃圾或对车辆进行清洗。对于带副发动机的清扫车，底盘发动机取力的作用也仅限于此。 真空吸扫式清扫车是靠气力收集垃圾的。气力系统由吸口、吸管、垃圾箱、风机和 风道组成。风机是清扫车的心脏，它直接影响着清扫车的工作速度、工作效率等。目前 国外真空吸扫式清扫车选用的是离心式风机。风机的传动方式有三种：液压传动，机械 传动，液压、机械组合传动。有的清扫车还采用其它传动方式。例如j o h n s t o n 6 0 0 型 清扫车的传动装置，该车在风机和副发动机之同装有液力偶合器。采用液力偶合器的最 大优点是可大大消除传动装置产生的扭振弹性，另外，液力偶合器还能有效地吸收扭转 振动。除尘系统是清扫车的必备设备，国外真空吸扫式道路清扫车一般采用两种除尘方 式：一种是湿式喷雾压尘为主的除尘结构；另一种是以空气滤清器为主的干式除尘结构。 为了更好的控制清扫时粉尘飞散、排放问题，在大型清扫车上除湿式压尘外，还采用了 其它除尘结构，如e i g l n 公司的清扫车的大容积垃圾箱中装有s 型粉尘分离器，它能 有效地阻止粉尘进入风机，增加了除尘效率，并延长了风机寿命。 2 1 2 清扫车动力系统组成 现行的传统清扫车其动力源主要都是由发动机提供的，其不同点在于采用一台发动 机还是两台发动机。清扫车的底盘也有两种型式，一种是采用现有的汽车通用底盘，另 一种就是设计专用的底盘。采用汽车通用底盘改装的清扫车，通常有较高的最高行驶速 度，这对于作业区距车库较远或需远距离转场的地区，这种清扫车有转场速度快的优点。 采用专用设计的底盘，其行走和工作装置多采用液压传动，即仅需一台发动机来驱动相 应的系统液压泵，这种车型大多数为中、小型全液压清扫车。 清扫车的动力源基本都采用汽油发动机或柴油发动机，只有极少数小型清扫车以电 瓶为动力。在汽车底盘改装的清扫车中，绝大多数是采用双发动机，即为工作装置专门 配备了一台发动机( 通常称之为副发) 。用汽车底盘改装的清扫车采用双发动机的优点 是：行走系统和工作装置在动力上彼此独立，行走速度和行走控制不会对工作装置的动 第二章单发动机清扫车动力系统方案研究 作产生影响，从而操作人员可根据地面的污染状况选择合适的清扫速度，进行最有效的 清扫。其缺点是：车辆的造价成本高，油耗较大，排放量大，噪声较高。采用单发动机 的多为中、小型专用底盘清扫车。采用电瓶作为动力的清扫车多为清扫宽度在1 5 m 以 下的中小型清扫车。采用单发动机的清扫车，如果动力系统采用机械传动，则在清扫作 业时风机的转速随发动机转速变化而变化，因而会影响清扫效果，特别是在车辆上、下 坡或在换挡等操作过程中，对清扫效果影响更大。而动力系统采用液压传动，则行驶和 作业装置互不干扰，可达到满意的清扫效果。此外，采用单发动机可降低清扫车噪声、 减少油耗。 2 2 单发动机清扫车系统的原理和选型分析 2 2 1 单发动机清扫车系统原理 清扫车是具备垃圾清扫、收集以及净化空气等多项功能于一身的多功能车辆，其主 要部件为风机、垃圾箱、盘刷、水箱等，其中风机的运转需要耗去整个系统的大部分能 量，这就需要清扫车具有提供大功率的能量源发动机。在清扫车工作时，它兼具行 走、清扫、收集等多项装置动作，它们之间应该互相不受影响。清扫车在行走时，其动 力由汽车底盘发动机提供，而其他装置的动力则可以根据需要，配备另外一台副发动机， 这样很容易实现行走和清扫同时进行，互不冲突。然而这样做的结果必然导致油耗增加， 尾气排放污染增大等诸多问题。若能只用一台发动机提供整车动力，保证车辆正常行驶 的同时，进行良好地垃圾清扫和收集，这样就可以解决油耗、尾气及噪音污染等问题。 2 2 2 单发动机清扫车系统分析 单发动机清扫车动力系统就是仅采用一台发动机同时作为行走部分和工作装置部 分的动力源。现有的单发动机清扫车多以底盘发动机为动力源，通过对该发动机的动力 进行分流和重新分配，为工作装置提供所需动力。发动机动力的分流目前主要靠机械式 取力器和液压系统传动两种方式实现【7 】。 1 、) 采用定型二类汽车底盘。通过取力器从变速器一轴取出部分功率，再分配给后 面的工作装置风机和液压系统。这种取力装置存在着弊端，即在变速器换挡过程中， 风机及液压系统的动力中断，从而影响清扫车的作业效果。 2 、) 采用专门设计的专用全液压底盘。单发动机清扫车由于底盘的限制，可以采用 全液压形式，即发动机带动三个泵：行走驱动泵、风机驱动泵以及液压系统驱动泵。在 这三个泵的带动下，由液压马达驱动各个装置工作。这样做的优点是：液压系统的可控 l 长安大学硕士学位论文 性充分的体现出来，液压传动使装置的动作更加平稳可靠。但由于液压传动的效率不高， 清扫车的清扫能力就会受到限制，一般只用作小型或中型清扫车系统。 那么上述两种单发动机清扫车都实现了一台发动机提供整车动力需要的要求。但由 于前者过分迁就底盘原有的动力系统而造成工作装置系统动力不足、动力不连续恒定的 问题，后者则存在效率较低、能源浪费较大的问题，使得整机使用性能和经济性大打折 扣。本课题的研究目标是研发能确保清扫车作业性能要求的高效、节能环保型高等级公 路养护清扫车( 兼具城市道路清扫车功能) 的动力系统。因此本文研究的单发动机清扫 车动力系统方案是：首先应具有可以对较大功率进行机械式分配及传递的能力，其次要 求系统运行连续、离合可控。 2 3 单发动机系统在清扫车上应用的可行性研究 2 3 1 单发动机与双发动机动力系统的共性 单发动机动力系统与双发动机动力系统的共性如下： 1 、行走机构的动力都是由底盘发动机提供； 2 、工作环境复杂； 3 、清扫作业过程中，车辆行驶动力性能要求不高，平均速度和加速能力要求低。 2 3 2 单发动机动力系统与双发动机系统的差异比较 双发动机动力系统采用两台发动机同时工作提供动力，在清扫车作业工况下底盘发 动机只提供行走系统动力，此时行走系统所需功率较低，发动机的后备功率较大，而副 发动机为清扫装置提供动力，在不进行清扫作业时该发动机即停止工作。对于单发动机 系统，只有底盘发动机作为动力源，清扫装置和行走系统都需要从该发动机取得动力， 而清扫车所采用的二类汽车底盘上不具备专门的取力装置，那么要实现单发动机系统方 案，就要装备专门的取力器，将发动机动力取出并分配给各个工作装置。目前市场上有 很多类型的取力器，可以根据需要配备相应的取力器，将发动机动力取出传递给其后的 工作装置。所以单发动机动力系统若能在车辆清扫作业时提供行走系统和清扫装置两部 分的总动力，在结束清扫作业后，清扫装置不消耗功率，底盘发动机可以作为行走系统 动力源，那么这样从动力脾1 2 e 厶匕i = j e , 和技术性能上就可以实现单发动机系统方案。单发动机系 统具备系统动力性能的同时，还应实现各工作装置的动力输出输入分别控制。这样的单 发动机系统与双发动机系统相比不仅在动力源上具有其优点，在整车空间利用、工作部 件装置的布置上也能体现其优越性。 第二章单发动机清扫车动力系统方案研究 表2 1 单发动机动力系统与双发动机系统的差异 由表2 1 可见，单发动机系统替代双发动机作为清扫车的动力系统，在没改变原动 力系统基本功能，不增加系统复杂性的条件下，节省成本、减少控制装置及相关附件， 可靠性提高；整车重量降低，增加其他箱体容积，延长工作时间；使其在经济性能、噪 声污染和尾气排放等方面有较大的改善。在全球节能减排的要求和环境污染加剧的背景 下，单发动机动力系统应用在清扫车乃至更多工程机械车辆上都是值得推荐的。 2 4 本章小结 本章主要介绍了双发动机清扫车的工作原理及系统组成，对比单发动机清扫车采用 通用底盘和全液压底盘两种形式动力系统的异同。构造适合本课题研究需要的单发动机 动力系统基本组成，并与双清扫车系统做比对，说明其可行性，为动力系统的具体设计 研究提供思路，并说明该系统在经济性、尾气排放及噪音污染等方面的优越性。 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章单发动机动力系统参数匹配 3 1 清扫车动力传动系统确定 基于以上各章的介绍，单发动机清扫车的动力系统采用如下图( 图3 1 ) 所示的结 构方案，该系统在工作时，由底盘发动机作为动力源，通过取力器将功率分为三个主要 部分：风机、行走机构、液压系统。其中风机在清扫作业工况下所需功率最大，通常在 4 0 k w 左右；行走机构在转场运输工况下所需功率最大，应考虑全功率输出；液压系统 所需功率较小，大约1 5 k w 左右。所以，必须设计一种能够传递大部分功率，并且具有 多个输出口的取力器，将该取力器安装在底盘发动机后、离合器之前，取力器分出三路 动力，分别驱动风机、行走机构和液压系统，见图3 1 。 图3 1单发动机清扫车动力系统总成 发动机与取力器直接连接，将动力分配给其后的工作机构，行走系统保留原有底盘 结构与取力器一输出轴连接，液压系统与风机由发动机经离合器直接带动。因为在车辆 行驶时，进行换挡和调速时汽车的离合器要进行离合动作，这样导致动力传输不连续， 影响其后工作装置的运行状态，如扫刷停转、风机风速变化。将取力器安装在离合器之 前就避免这种情况发生，风机保持在某固定速度下运转以提供恒定吸力，扫刷维持恒速 旋转，从而达到更好的吸扫效果。在风机和取力器的连接方式上则采用机械连接，通过 离合器作用控制风机动力的开关，满足清扫车不同工况的需要。而发动机通过取力器的 其他输出轴向行走系统及液压系统传递动力，使得清扫车在执行清扫任务时，各个机构 的动作互不干涉，实现匀速行驶、恒速吸扫的效果。 1 5 第三章单发动机清扫车动力传动参数匹配 3 2 清扫车动力系统部件选型 本课题研究的是节能环保型单发动机清扫车，其动力系统主要由发动机、取力器、 离合器等组成。在不安装副发动机的条件下，由二类汽车底盘发动机提供全部动力，这 样就要求此类汽车底盘配有较大功率的发动机。在满足整车作业动力性能的前提下，提 高整车的燃油经济性，降低尾气排放量，充分发挥单发动机动力系统的优势。 3 2 1 底盘及发动机的选型 在选择单发动机清扫车动力系统的发动机时，由于发动机是二类汽车底盘所自带， 那么在选择发动机之时还需确定汽车底盘。汽车底盘可供选择的对象比较多，常见的国 内道路清扫车主要生产厂家的型号及参数如表3 1 所示【8 】。表中所列的清扫车属于中、 大车型，其底盘发动机为柴油发动机，功率为7 0 1 3 2 k w 。而本文研究的单发动机清扫 车，基本动力都是由底盘发动机提供，发动机在确保行驶系统所需最大功率的同时，还 要带动大功率的负压风机。这就要求所选汽车底盘自带的发动机要有除了行驶系统所需 的功率以外的较大的额外功率，可供风机及其他工作装置使用。要通过计算清扫装置、 风机及行走系统所需总功率后，确定满足该功率的柴油发动机，及其安装于中、大型二 类汽车底盘就是满足本课题所需要的发动机及底盘。 表3 1国内路面清扫车主要产品性能参数 漕扫宽度清扫速度 垃毂箱容量 生产厂寰产品疆号废盘疆孽 _ )( m )i ，) r s w 5 d 柏盯s l庆锋n k r s s e l a3 3 5 - 1 52 i s w 5 0 4 lt s l 江静j x l 0 4 2 d2 43 2 0 天津扫地王专用汽车 有限公司 t s w 姗t s ln k p , 5 5 l l a j y3 23 2 55 4 t s w 5 0 知t s l 放c a 1 4 2 疆3 7 5 一1 55 t s w 5 1 4 1 i s l e q 3 1 4 1 g 2 33 一1 55 4 z l j 5 1 5 0 t s l 东风e q 3 1 4 1 g t d j 3 55 一加b z l j $ 1 $ 1t s l 东风e q 3 1 4 i g t d j 3 5 5 一b z l j s o i ! t s l庚斡n k r 5 5 l l r ， 3 l o 长抄中标实韭公司 z u $ 0 6 0 t s l 东风e q l 0 6 1 t s d j 3 53 _ 1 55 s z l j 弼5 1 t s ln k r 5 5 l l r2 73 一l o z l j 5 0 ) o t s l庆簧n k