电动车用电机试验台液压负载系统设计.pdf

2 0 1 1年 2月 第 3 9卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAULI CS F e b ． 2 01 l Vo 1 ． 3 9 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 1 6 电动车用电机试验 台液压负载 系统设计 王大方 ，赵桂 范，王宇 哈 尔滨工业大学 威海汽车工程学院，山东威海 2 6 4 2 0 9 摘要 设计一套电机试验 台系统 ，该试验 台以液压系统作为负载 。分 析液压负 载试验 台的工作原理 ，介 绍系统部 件选 择原则及方法 。该系统避免使用价格 昂贵 的扭 矩传感器 ，有效降低成 本 ，结构简单 ，操作方便 ，适 用于经济 性要求较 高的 小型电机专用试验台的设计。 关键词 电机 试验台 ；液压系统 中图分类号 T H 1 3 7 文献标 识码 B 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 4 0 5 3 3 De s i g n o f Hy dr a u l i c Lo a di ng S y s t e m o f M o t o r Te s t b e d f o r El e c t r i c Ve h i c l e W ANG Da f a ng． ZHA0 Gui f a n． W ANG Yu Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y We i h a i ，We i h a i S h a n d o n g 2 6 4 2 0 9，C h i n a Abs t r ac t A s e t o f mo t o r t e s t s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d whi c h u s e d h y d r a ul i c s y s t e m a s l o a d． Th e wo r k i n g p r i nc i p l e o f h yd r a u l i c l o a di n g t e s t b e d wa s a na l y z e d． Th e s e l e c t i o n p r i n c i pl e s a nd me t ho ds o f t h e s y s t e m c o mp o n e nt we r e i n t r o d uc e d ． The s y s t e m c o s t wa s r e d uc e d wi t ho ut us i n g t he e x p en s i v e t o r q u e s e n s o r ． I t h a s s i mp l e s t r uc t u r e a nd e a s y o p e r a t i o n． Thi s s y s t e m i s a pp l i c a b l e t o t he de s i g n o f s p e c i a l t e s t be d f o r t h e s ma l l mo t o r wi t h h i g he r e c o n o my de ma n d． Ke ywor ds Mo t o r ； Te s t b e d； Hy d r a ul i c s y s t e m 电机驱动系统是 电动车辆最关键 的系统 ，电动车 运行性能主要决定于 电机驱动系统 的性能 。在 电机驱 动系统开发过程 中，需 要利用电机试验 台对其进行功 能特性实验 ，以对 电机 控制策 略进行 修正和改进。因 此 电动车用 电机试验 台是 电动车开发必不可少的关 键 设备 。 该试验要求试验 台在模 拟工况 下完成 4 k W 开关 磁 阻电机 空 载试 验 、加 载性 能试 验 、倒 车性 能试 验 等 ，同时要求在试验 过程 中测试 电机 的 电流 、电压 、 转速 、扭矩 、功率 、效 率 ，并 得到扭矩与转速关系 曲 线 。该试验 台专 为小 型 电动 车 电机驱 动 系统 开发 研 制 ，要求具有较高的经济性 ，结构简单 。 目前市场上主流 电机试验 台是 以发 电机作为负 载 的测功机系统 ，该系统 由负载 电机 、转矩和转速传感 器 、数据采集器 和显示 系统等组成 ⋯ 。由于扭矩传感 器 等元件 价格 昂贵 ，使 得该 系统结 构复 杂 ，成本 高 ， 不适用 于小 型电机专用试验 台开发的经济性 要求 。作 者设计 了一套液 压加载 电机实 验系统 ，能够 进行电机 常用工况 的实验 ，该 系统通 过检 测液压 泵输 出压 力 ， 换算得到负载转矩 ，从而避免使用价格 昂贵的扭矩 传 感器 ，有效降低 了系统 的成本 。 1 液压加载试验台结构及实验原理 电机试 验 台液 压负 载 系 统 由齿轮泵 、先导式溢流 阀、 压力 表 以及 相应 的液压 油 源 组成 ，结 构 如 图 1所 示 ，开 关磁 阻电机 与液 压泵 同 轴连 接 ，电 机 带 动 液 压 泵 运 行 ， 溢流 阀调 节 泵 出 口压 力 。由 于采用定 量 泵 ，当 电机转 速 不变时 ，出 口压 力 的 变化 单 一 ，影响 电机 的扭 矩 ，以此 实现 电机恒扭矩加载 。 系统功 率 传递关 系如 图 l 一被测 电机2 一联轴器 3 一负载泵4 一液压站 5 一 压 力 表6溢 流 阀 图 l 电动机加载 试验 台结构 2所示 ，控制器直接从 蓄电池获取 电能 ，一部分用 作 控制器损耗 ，大部分为开关磁阻 电机运转供能 ，电动 机将 电能转化为机械能带动液压泵运转 ，液压泵将 机 械 能转化 为液压 油的内能和动能 ，液压泵出 口压力 由 溢 流阀调 节压力 表显示 压力参 数。 开关磁 阻电机控制 器输入 P l U 1 I l 1 式 中 P 为电机控 制器输 入功率 k W ； 为 电机控制器输入 电压 V； 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 6 基金项 目电动车辆国家工程实验室开放基金项 目 B I T N E I E V - 2 0 1 0 1 ；哈尔滨工业大学 威海 校科学研究 基金资助项 目 H I T WHZ B 2 0 0 9 0 2 作者简介 王大方 1 9 7 8 一 ，男 ，副教授 ，硕士生导师 ，研究方 向为汽车 电子 。E ma i l w d fl c j l 1 6 3 ． c o rn。 营 5 4 机床 与液压 第 3 9卷 ， 一⋯⋯⋯⋯⋯、 l l， ⋯⋯一 菠 磋 ⋯⋯⋯一 、 、 一十 电 力 连 接 日机 械 连 接 液 力 连 援 图2 液压加载系统原理图 ， 为电机控制器输入电流 A 。 开关磁阻电机输入 P 2 1 2 2 式 中P 为开关磁阻 电机输入功率 k W ； 为开关磁阻电机输入电压 V ； ， ’ 为开关磁阻 电机输入电流 A 。 电机驱动系统输 出 P 3 T o T n 2 竹 3 式中P 为电机驱动系统输出功率 k W ； 为电机驱动系统输出扭矩 N H I ； ／ 2 为电机驱动系统输出转速 r ／ m i n 。 液压泵输 出 P。 P q p 口 n 4 式 中P 为液压泵输出功率 k W ； P为液压泵输 出压力 M P a ； q 为液压泵输 出流量 Il l ／ s ； 为齿轮泵排量 n l ／ r 。 开关磁阻电机与齿轮泵通过联轴器刚性连接 ，功 率损失可忽略 ，可 以认为电机输 出功率等于齿轮泵输 入功率 ，考虑到泵的容积损失 ，得到泵输入与输 出关 系 尸 3 。 ’ 田 P 。 5 式中叩 为齿轮泵容积效率 ； 田 为齿轮泵机械效率 。 将式 3 、 4 代人上式得 6 1 T 。 叼 叩 可见在一定转速下 ，电机输出扭矩由液压泵输出 压力确定 。只要调节加载压力P即可改变加载转矩 。 2 电机驱动系统性能计算 该设计要求获得电机驱动系统的以下性能 输出 转速 n ，输 出扭矩 ，电机驱动系统输 出功率 P 及 系 统效率 田 。总结 以上公式得 P3 T n 2 P3 T n 2 7 r 刀 可 可知系统可测量的基本参 数为 输 出转速 n ，液 压泵输 出压力 P ，输入 电流 ， ，电压 ． 。其 中输入 电 流及电压可 以利用控制器 串行通信接 口直接测量 ；液 压泵输出压力由压力表读出；电机转速由位置传感器 信号换算得 到。由此可以得 到开关磁阻电机基本性能 参数。系统 原理如 图 2 所示 。 3液压负载系统设计及计算 被试开关磁阻 电机主要技术参数见表 1 。 表 1 被试开关磁 阻电机主要技术参数 额定功率 尸 ／ k W 4 额定转速 ／ r rai n 1 5 0 0 最大功率 P ／ k W 1 0 最大转速 Ⅳm ／ r ra i n 2 5 0 0 额定转 矩 L／ N n 1 2 5 额定电压 U ／ V 7 2 最大转矩 T m ／ N m 5 0 最大电流 ， m ／ A 6 o 1 负载液压泵的选取 齿轮泵结构可靠 、工作稳定 、造 价低 ，作者选用 齿轮泵作为负载液压泵。为检测 电机最大功率时的工 作性能 ，要求负载系统功率不小于电机功率 ，即 P。≥ 。 叩 。 7 7 这里取系统总效率 卵 0 ． 8 时 ，上式经单位换算得 P。 ／ 5． 0 2 4T 式中 P为泵输 出压力 MP a ； V 为泵排量 m L ／ r 。 根据 电机输 出特性 ，该 系统应满足 最大扭矩 T m 5 0 N I n时 P ／2 5 1 ． 2 最大功率 P 1 0 k W 时 P I 6 0 1 0 1 0 ／ 2 5 0 02 4 0 故该系统应 选择 P v 2 5 1 ． 2 ，根据液压泵通用标 准 ，选择不低 于压力 1 6 M P a ；排 量 2 0 m L ／ r的齿 轮 泵 。 该设计采用 C B K 1 0 2 5 一 B I F齿轮泵 ，其主要参 数 如表 2示。 表 2 C B K 1 0 2 5 ． B I F齿轮泵的主要参数 理论排量／ m L r 2 5 最高转速／ r ra i n 2 5 0 0 额定压力／ MP a 1 6 最低转速／ r m l n 8 0 0 最高压力／ MP a 2 0 容积效率／ ％ 9 3 额定转速／ r rai n 2 0 0 0 总效 ％ 8 4 2 溢流阀及压力表选取 溢流阀的最大压力应不小于液压泵输出的最大压 力 ，作者选用 日本 Y U K E N生产 的 S B G 0 3先导式溢 流阀作为负载调压设备 ，并选用相应量程 的压力表。 溢流阀流量 一压力特性 如图 3所示。 日 山 茎 _ R 幽 0 20 4 0 6 0 80 1O 0 流 量， f L rai n ’ 1 图 3 S - B G - 0 3溢流阀流量 一压力特性 第 4期 王大方 等 电动车用 电机试验 台液压 负载 系统设计 5 5 3 油箱容量 液压泵额定流量 Q N 1 5 0 0 r ／ m i n X 2 0 m L ／ r 3 0 L ／ ra i n 按经验公式 ，油箱容量 V ‘ q 。 式 中 为经验 系数 2～ 4 ⋯ ，取 3 ； q 为液压泵额定流量 3 0 L ／ m 。 得到液压油箱容积为 9 0 L 。 按油箱散热验算 P tc mAO 式 中尸为系统 功 率损 失 w ，P 1一卵 P 0 ． 2 P t 为连续工作时 间 s ； C 为液压油 比热容 2 X 1 0 3 J ／ k g ℃ ； m为油量 k g ； A 0为温升 c ； 其 中液压 油密度 为 9 0 0～ 9 3 0 k g ／ i n 。 该设计要求 额定工作工况 下 ，连续工作 3 0 m i n 温升不大于 2 0 c 【 。按此要求计算得 到所需油量 5 0 L ， 可见 9 0 L油箱 容积满 足系 统工作 需求 。为确保 工作 可靠性 ，该 系统配备 1 0 0 L容积油箱 ，8 0 L液压油。 液压试验 台系统实物 如图 4所示 。 图 4 液压试验 台系统实物 图 4结论 为了辅助小型电动车用开关磁阻电机驱动系统开 发 ，设计 了液压 加载试 验台。该试验 台通过改变液压 泵出 口压力调节电机加载扭矩 ，通过观测泵出 口压力 换算扭矩值 ，避 免使用 价格 昂贵的扭 矩传感 器从而有 效降低了成本 ，该结构虽然牺牲部分精度，但结构简 单 、价格低廉 、操作方便 ，适用 于精度要求 不高的电 机 系统功 能开发 及经济性要求 较高的专用电机试验台 系统 。 参 考 文献 【 1 】 朱坤． 电机试验台测试系统[ D ] ． 北京 北京交通大学， 2 0 08． 【 2 】张利平． 液压传动系统及没计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 5 4 1 4 2 ． 【 3 】长江液压件厂 ． C B K型齿轮泵使用说明书[ M] 上接 第 3 2页 炉空冷 一机加工 一渗碳 一 7～ 8 h 高温回火 、缓冷 到 3 5 0 c c出炉空冷 一 淬火 一低温 回火 。经试验 后 ，新 研制的低 c r N i钢的加 工工 艺路线 及热 处理 工 艺为 锻 一正火 一 3 h高 温 回火 、出 炉空 冷 一机加 工 一渗 碳 一 3 h 高温 回火 、出炉空 冷 一淬 火 一低温 回火。两 者相 比可以看 出 ，1 8 C r 2 N i 4 W 钢要 用 7～ 8 h高温 回 火 ，然后缓冷 到 3 5 0℃ 出炉 空冷 ，而低 c r N i 钢 只需 高温 回火 3 h 就 已足 够 ，且不必缓冷 到 3 5 0℃就 能出 炉空冷 。因此使用新 钢种制 造齿轮 会缩短 生产周期 ， 节约用 电 、降低生产成本 。 经几年 的试验 和应用 ，低 c 卜 N i 钢齿 轮渗碳淬火 变形 和 1 8 C r 2 N i 4 W 钢 制齿 轮相 似 ，淬 火后 的磨 削性 能也 和 1 8 C r 2 N i 4 W 钢相似 ，可以满足生产需要 。 低 C 卜 N i 钢 和 1 8 C r 2 N i 4 W 钢 渗 碳 后 的碳 化 物 形 态、分布、残余奥氏体及芯部的板条马体氏等在合适 的控制工艺下均很相似 。 2 冷加 工工艺 性能 经试 用 证 明 ，新 材料 和 原 1 8 C r 2 N i 4 W 钢 相 比， 切削性能明显改善 ，在相 同的切削条件 下不仅 可以延 长刀具寿命，而且可使粗糙度降低 1 级。 4 新钢种使用情况及结论 作者在 机械性 能试 验 、工艺 试 验 的基础 上 ，采 用新材 料制造 MX A 一 3 0 0系列 采煤 机驱 动 轮等 零件 。 此后 又有 A 一 1 1 0 2 0 0 1 ，A - 0 1 0 3 0 0 5及 A - 0 1 0 4 0 0 1等 3 种齿轮先 后采用新 钢 种制 造后 投人 生产 。按某 厂 提 供的两 种钢 材 差 价 3 5 0 0元／ t 计 算 ，经 济效 益 可观 。新 钢种制 造 的齿 轮 ，经 近 几 年 的 装 机使 用 ， 情况 良好 。 实践证 明 ，用低 c 卜 新钢种代替 1 8 C r 2 N i 4 W 和 1 7 C r N i Mo 6钢制造采煤机齿轮 ，不仅 能满足工件 的使 用性 能 ，保证产 品质量 ，而且缩短 了生产周期 ，降低 了生 产成本 ，具有显著 的经济效益 。与绿色制造经济 性 、环保性 、资源优化 的理论吻合 。 参 考 文献 【 1 】王国佐， 王万智． 钢的化学热处理 [ M] ． 北京 中国铁路 出版社 ， 1 9 8 0 3 91 0 7 ． 【 2 】机械电子工业部． J B ／ T 6 1 4 1 ． 31 9 9 2重载齿轮渗碳金 相检验[ S ] ． 北京 中国标准出版社， 1 9 9 2 ． 【 3 】尚可超． 零级碳化物研究[ J ] ． 西安科技学院学报 ， 2 0 0 1 ， 2 1 1 8 9 9 0 ， 9 4 ． 【 4 】赵程等． 机械工程材料 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 nf 1 R