百吨级电传动矿用自卸车轮边驱动系统的配置优化

何建成 申焱华 张文明

北京科技大学，北京，100083

0 引言

据不完全统计，2011年，国产矿用自卸车销量达到7567辆，与2010年销量约5000辆相比，增长51.34%。其中，国内市场销量5646辆，海外市场销量1921辆，双创历史新高［1］。目前国内百吨级电传动矿用自卸车的设计还主要处于模仿阶段，如在确定轮边减速器传动比时，往往参照国际相近吨位车型，但国内自主生产的轮边电机的性能与国际上先进电机有较大差距。因此有必要研究适合国内电机发展水平的轮边驱动系统最佳配置方法。

1 传动方式

百吨级矿用自卸车的传动方式有两种，即机械传动和电传动。机械传动的传递结构简图如图1所示，机械传动机构主要包括发动机、离合器、变速箱、万向节、传动轴、主减速器、差速器、半轴，各部件之间主要是机械能的传递；电传动结构简图如图2所示，电传动结构主要包括发动机、发电机、电动机、轮边减速器，在动力传递过程中包含两次机械能与电能的转化及电能的传递。一次转化是发电机将发动机传递的机械能转化为电能，另一次转化是电动机将电能转化为机械能。

图1 机械传动结构简图

图2 电传动结构简图

表1所示为电传动与机械传动几项重要性能的比较，电传动除了传动效率略低于机械传动以外，其余几项性能都要优于机械传动，因此目前百吨级以上矿车，除了CAT部分车型采用机械传动以外，其余的大都采用电传动。

表1 机械传动、电传动性能比较

2 轮边减速器结构及传动比

电传动矿用自卸车中，轮边驱动系统是主要的动力传递系统，如图3所示，主要包括电机和轮边减速器两部分。电动机将电能转化为机械能，轮边减速器将动力减速增扭传递到轮毂，以驱动轮胎转动提供矿车行驶所需动力，是电传动矿用自卸车中唯一的减速增扭机构。

图3 GE轮边三级驱动系统

国内外矿用汽车轮边减速器结构主要有三种，其传递结构原理图如图4～图6所示［2－4］。国际矿用自卸车品牌中，BELAZ电传动矿用自卸车轮边减速器采用的是如图4所示的轮边二级行星减速机构，其余品牌车型大都采用如图5、图6所示的GE轮边二级或三级减速机构，吨位较小的采用二级减速机构，吨位较大的采用三级减速机构。国内电传动矿用自卸车也大都采用这三种行星减速机构。图7所示为根据大吨位电传动矿用自卸车需求设计的一种新型的轮边三级行星减速机构，该机构具有传动比变化范围大、安全系数高、轴向空间利用率高等优点。

通过对 TEREX、BELAZ、HITACHI、KOMATSU、LIEBHERR五种品牌且载重从109t到360t，近30款车型轮边减速器传动比i进行对比和整理，按照满载时矿车总量从小到大排列［5－9］，得到如图8所示的电传动矿用自卸车轮边减速器传动比分布图。图9为按照不同品牌分类的轮边减速器传动比分布图。

图4 轮边二级行星减速机构传动原理图

图5 GE轮边二级行星减速机构传动原理图

图6 GE轮边三级行星减速机构传动原理图

图7 轮边三级行星减速机构传动原理图

图8 轮边减速器传动比分布图

图9 国际常见矿车轮边减速器传动比

由图9可以看出，同一品牌车型，随着满载总量的增加，轮边减速器传动比有增大的趋势，而且存在满载总量相近车型的轮边减速器传动比相同的情况，也存在随着满载总量增大而轮边减速器传动比减小的情况，如HITACHIEH3000载重156.9t，满载总量为278.9t，轮边减速器传动比为28.85，HITACHI EH3500载重193.3t，满载总量为324.3t，轮边减速器传动比为26.83。结合图8、图9可以看出，对于不同品牌的车型，满载总量相近时，传动比不尽相同，且相差较大。如BELAZ 75306载重220t，满载总量372t，轮边减速器采用如图4所示的轮边二级行星减速器，传动比为38.67，而Liebherr T262载重218t，满载总量368t，轮边减速器采用如图5所示的GE轮边二级行星减速器，传动比为31.9。同时部分车型可以选用不同传动比的轮边减速器，如Liebherr T252，在载重相同、自重相同的情况下可以选配轮边减速器传动比为26.8或22.3，而TEREX MT6300给定的轮边减速器传动比选用范围从32到42。

3 电机选型及轮边减速器传动比计算

通过上文分析，可以看出电传动矿用自卸车选配的轮边减速器传动比并没有随吨位增大而一直增大，而是中间存在波动。因此，在确定轮边减速器传动比时不能单纯以车辆吨位作为依据，车辆吨位的变化只是决定了行驶所需驱动力的大小和所需动力源即发动机功率大小。在对一款新型矿车进行设计时，其轮边驱动系统基本设计流程如图10所示。

图10 轮边驱动系统基本设计流程

汽车行驶方程为［10］

其中，Ft为驱动力；Ff为滚动阻力，与路面滚动系数相关，矿山路面滚动系数一般取0.02；Fw为空气阻力，在矿用汽车初期设计过程中，由于一般矿用汽车常用行驶速度在7.5～30km／h之间，且最高车速一般在65km／h以下，车速相对较低，所以在矿车一般不考虑空气阻力Fw的影响；Fi为坡度阻力，行驶路面坡度有关，电传动矿用自卸车的要求是最大爬坡度不应低于16%［11］；Fj为加速阻力。

根据式（1）可以求得矿车在不同坡度上行驶时驱动力需求，但确定发动机功率大小还需要知道车辆行驶速度。在确定发动机功率时一般以矿车在8%坡度行驶时的功率需求为准。电传动自卸车满载时在8%坡度上爬长坡的稳定车速不应低于表2所规定的数值［11］。

表2 电传动矿用自卸车稳定车速要求

由矿车在8%坡度行驶时驱动力及最低车速要求，根据公式P＝Fv可以得到矿车行驶功率需求。但此功率并不能直接作为确定发动机功率的标准，在确定发动机功率时还需要考虑传递过程中发动机、发电机、电动机以及轮边减速器等的能量传递在各环节中的功率损失。另外，为了保证足够的动力，在确定发电机、电动机功率时还应考虑存在一定的过载空间，一般在选定电机功率时需要20%以上的过载牵引空间。

根据功率选定电机以后，就得到电机的功率外特性曲线和传动效率变化曲线。图11为设计的某载重220t电传动矿用自卸车选用电机的恒功率外特性曲线和效率曲线，电机转速达到292.4r／min时，开始进入恒功区，直到电机达到最高转速。但电机转速低于651.5r／min时，只能持续工作一定时间，不能长时间持续工作，且电机工作效率较低，小于93%；转速达到651.5r／min以上，电机才可以长时间工作，电机效率也可提高到93%以上。

图11 某矿车用电机外特性和效率曲线

为了保证矿车的持续工作和传动效率，轮边减速器传动比i需要满足矿车常用运行速度空间7.5～30km／h对应电机的长时高效工作区间，图11示出了电机长时高效工作区间即电机转速大于651.5r／min的空间。该高效工作区间范围较大，在确定传动比时为了保证车辆最高转速，一般让电机长时高效工作区起点来对应矿车运行速度7.5km／h来确定传动比i。即

式中，n为电机转速，即电机长时高效工作区初始点转速；v为矿车运行速度，一般取值7.5km／h；r为轮胎滚动半径。

在220t矿车设计中，选用轮胎滚动半径为1.7075m，根据式（2）求得轮边合理传动比为55.89。但在实际设计过程中，考虑到空间、结构形式、齿轮强度、行星齿轮安装条件等因素，最终传动比确定为55.09。BELAZ 75306载重也是220t，但轮边减速器传动比为38.67，这是因为其选用电机DK－724的长时高效工作区起点转速低于国内电机决定的起点转速。

4 结语

国际电传动矿用自卸车轮边减速器传动比随吨位增加有增大趋势，但中间存在着波动。对轮边驱动系统中轮边电机和轮边减速器进行优化配置以满足整车牵引特性需求，轮边电机长时高效工作区决定轮边减速器传动比的初始值。在轮边减速器进一步设计的过程中，还需考虑空间、结构形式、齿轮强度等因素。根据本文方法设计的220t电动轮矿用自卸车已经生产完毕并投入试验，运行良好，证明了所述配置方法的可行性。

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［5］Unit Rig，O＆K Mining，Payhauler：Mining Truck［OL］.5400S.49th West Ave.，P.O.Box 3107，Tulsa.［2012－01－21］.http：／／www.terex.com.

［6］Belarusian Auto Works：Belaz［OL］.40let Oktyabrya str.4，222160，Zhodino，Republic of Belarus.［2012－01－21］.http：／／gpfk.ru／userfiles／.

［7］Hitachi Construction Machinery（America）Corp：Hitachi［OL］.20411Imperial Valley Dr.Houston.［2012－01－21］.http：／／www.hcmacorp.com.

［8］Komatsu：komatsumining［OL］.440N.Fairway Dr.P.O.Box 8112.［2012－01－21］.http：／／www.komatsumining.com.

［9］Liebherr Mining Equipment Co.：Technical Description Mining Truck［OL］.4100Chestnut Avenue，Newport News，VA 23607，USA.［2012－01－21］.http：／／www.liebherr.com.

［10］余志生.汽车理论［M］.3版.北京：机械工业出版社，2000.

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