CN111845753B - 确定非公路车辆的整车阻力及电机制动性能的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定非公路车辆的整车阻力的方法，其包括：步骤一、获取待分析非公路车辆的行驶工况；步骤二、基于行驶工况获取待分析非公路车辆的滚动阻力、空气阻力和坡度阻力中的有效阻力；步骤三、根据所获取到的有效阻力确定行驶工况下的整车阻力。本方法通过建立整车在平路、不同坡度情况下的阻力模型及评估方法，能够准确评估出整车的阻力模型，进而根据下坡行驶工况下的整车阻力评估出车辆在矿山最大制动速度下的电驱动系统制动功率需求。本方法能够有效的解决矿用车电驱动系统制动功率选取不准问题，这样也就可以避免整车频繁使用机械制动，从而减少整车机械制动烧毁，甚至造成整车安全风险问题。

Description

确定非公路车辆的整车阻力及电机制动性能的方法

技术领域

本发明涉及车辆制动技术领域，具体地说，涉及一种确定非公路车辆的整车阻力的方法以及一种确定非公路车辆的电机制动性能的方法。

背景技术

非公路车辆是大型露天矿山的主要运输工具，牵引电驱动系统是非公路车辆的核心组成部分。然而，非公路车辆运行环境恶劣，行驶路况复杂多变，目前非公路车辆牵引系统采用交流电传动系统驱动，为典型的内燃机车交流传动系统。交流电传动系统会通过柴油机带动连轴的发电机提供车辆动力能源，通过牵引逆变器驱动电机。

非公路矿用车具有三套制动系统，分别为电制动、机械制动及驻车制动。电制动为常用的制动系统，其应用于整车大部分的运行工况条件下；机械制动应用于5km/h以下工况及电制动失效工况下；驻车制动用于整车驻车。机械制动不能应用高速车况下，容易造成烧毁。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种确定非公路车辆的整车阻力的方法，所述方法包括：

步骤一、获取待分析非公路车辆的行驶工况；

步骤二、基于所述行驶工况获取待分析非公路车辆的滚动阻力、空气阻力和坡度阻力中的有效阻力；

步骤三、根据所获取到的有效阻力确定所述行驶工况下的整车阻力。

根据本发明的一个实施例，所述行驶工况包括平路行驶工况，在所述平路行驶工况下，在所述步骤二中获取所述待分析非公路车辆的滚动阻力和空气阻力作为有效阻力，并在所述步骤三中根据所述滚动阻力和空气阻力确定所述平路行驶工况下的整车阻力。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，根据如下表达式确定所述平路行驶工况下的整车阻力：

F＝F_f+F_w

其中，F表示整车阻力，F_f表示滚动阻力，F_w表示空气阻力。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，

获取所述待分析非公路车辆的车辆自有质量和装载质量，根据所述车辆自有质量和装载质量确定所述滚动阻力；并且/或者，

获取所述待分析非公路车辆的风阻面积、风阻系数和车速，根据所述风阻面积、风阻系数和车速确定所述空气阻力。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定所述空气阻力：

其中，C_D表示非公路车辆空气阻力系数，l表示风阻系数，A表示风阻面积，V表示车速。

根据本发明的一个实施例，所述风阻系数的取值为1。

根据本发明的一个实施例，所述行驶工况包括下坡行驶工况，在所述下坡行驶工况下，在所述步骤二中获取所述待分析非公路车辆的坡度阻力和空气阻力作为有效阻力，并在所述步骤三中根据所述坡度阻力和空气阻力确定所述下坡行驶工况下的整车阻力，其中，所述下坡行驶工况下的整车阻力取值为负数时表征车辆下坡时的下滑力。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，根据如下表达式确定所述下坡行驶工况下的整车阻力：

F＝F_w-F_i

其中，F表示整车阻力，F_i表示坡度阻力，F_w表示空气阻力。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，

获取所述待分析非公路车辆的车辆自有质量、装载质量以及行驶坡度；

根据所述车辆自有质量、装载质量以及行驶坡度确定所述坡度阻力。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定所述坡度阻力：

F_i＝(M+m)g(sin(arctanθ-cos(tanθ)f))

其中，F_w表示空气阻力，M和m分别表示车辆自有质量和装载质量，θ表示行驶坡度，f表示滚动阻力系数。

本发明还提供了一种确定非公路车辆的电机制动性能的方法，所述方法包括：

采用如上任一项所述的方法确定待分析非公路车辆在下坡行驶工况下的整车阻力；

获取所述待分析非公路车辆的车辆传动特征参数，根据所述车辆传动特征参数和整车阻力确定制动总转矩；

基于所述制动总转矩，根据所述待分析非公路车辆的牵引电机数量确定单个牵引电机的制动功率。

根据本发明的一个实施例，根据如下表达式确定单个牵引电机的制动功率：

其中，P表示单个牵引电机的制动功率，F表示整车阻力，r表示轮胎半径，n表示电机转速，k表示牵引电机数量，i₀表示轮边减速器的传动比。

本发明所提供的确定非公路车辆的整车阻力的方法通过建立整车在平路、不同坡度情况下的阻力模型及评估方法，能够准确评估出整车的阻力模型，进而根据下坡行驶工况下的整车阻力评估出车辆在矿山最大制动速度下的电驱动系统制动功率需求。

本方法能够有效的解决矿用车电驱动系统制动功率选取不准问题，这样也就可以避免整车频繁使用机械制动，从而减少整车机械制动烧毁，甚至造成整车安全风险问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是非公路车辆牵引电传动系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的确定非公路车辆的整车阻力的方法的实现流程示意图；

图3是根据本发明一个实施例的确定非公路车辆的电机制动性能的方法的实现流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

非公路车辆是一种广泛应用于矿山现场的大型矿山开发工程机械，整车运行环境日益恶劣，同时非公路车辆多采取24小时不间断作业。非公路车辆在正常作业主要包括牵引工况和制动工况两种工况。其中，牵引工况是牵引整车向前或者向后运转，制动工况是将非公路车辆通过电机电制动减速，制动能量消耗在制动电阻上。

现有的非公路车辆的牵引电传动系统的主要电路结构图如图1所示。如图所示，在现有的非公路车辆的牵引点传动系统中，柴油机101会驱动发电机102产生三相交流电并送至牵引变流器103，牵引变流器103内的整流单元103a会将所接收到的上述三相交流电整流为相应的直流电，而逆变单元103b(可以包括多个逆变单元)会将整流单元103a所生成的直流电逆变为交流电，以驱动牵引电机104运行从而实现整车的无级调速功能。整车制动采用电制动，每个逆变单元包含一路制动回路，制动能量由制动电阻105消耗。

目前非公路车辆牵引电传动系统在功率控制方面，缺少通过建立整车不同工况下的坡道阻力模型，以及根据整车要求最大制动速度来确定开发电驱动系统制动功率的相关方法。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种确定非公路车辆的整车阻力的方法，还提供了一种基于所确定出的整车阻力来确定非公路车辆的电机制动性能的方法。

图2示出了本实施例所提供的确定非公路车辆的整车阻力的方法的实现流程示意图。

如图2所示，本实施例中，该方法首先会在步骤S201中获取待分析非公路车辆的行驶工况。非公路车辆的运行环境通常为矿山等恶劣环境，矿山由于开采和管理原因，道路复杂多变，并且具有坡度大、坡道较长等特点。针对非公路车辆的上述运行环境，本实施例中，待分析非公路车辆的行驶工况优选地包括平路行驶工况和下坡行驶工况。

本实施例中，该方法在步骤S201中可以通过装配在待分析非公路车辆上的相关姿态传感器或是图形传感器来获取待分析非公路车辆的行驶工况，本发明并不对获取待分析非公路车辆的行驶工况的具体实现方式进行限定。

在得到待分析非公路车辆的行驶工况后，该方法会在步骤S202中基于步骤S201中所得到的上述行驶工况来获取待分析非公路车辆的滚动阻力、空气阻力和坡度阻力中的有效阻力，随后再在步骤S203中根据步骤S202中所获取到的有效阻力确定确定该行驶工况下待分析非公路车辆的整车阻力。

非公路车辆一般运行在不同的矿山，矿山道路具有不同的坡道，车辆可能空载、半载、满载等不同的工况，因此，本实施例中，非公路车辆在实际运行当中的阻力主要包括：滚动阻力F_f、空气阻力F_w和坡度阻力F_i。需要指出的是，本实施例中，通过对非公路车辆行驶特性的分析发现非公路车辆通常在低速区间内行驶，因此为了简化数据处理过程，该方法将加速阻力忽略。

本实施例中，如果待分析非公路车辆的行驶工况为平路行驶工况，那么该方法在步骤S202中所获取的有效阻力将包括滚动阻力F_f和空气阻力F_w。这样该方法在步骤S203中也就可以根据待分析非公路车辆的滚动阻力F_f和空气阻力F_w确定待分析非公路车辆在平路行驶工况下的整车阻力。

具体地，本实施例中，该方法优选地根据如下表达式来确定待分析非公路车辆在平路行驶工况下的整车阻力F：

F＝F_f+F_w (1)

本实施例中，在确定上述待分析非公路车辆的滚动阻力F_f时，该方法优选地首先会获取待分析非公路车辆的车辆自有质量和装载质量，随后在根据上述车辆自有质量和装载质量来确定待分析非公路车辆的滚动阻力F_f。

例如，该方法可以根据如下表达式来确定待分析非公路车辆的滚动阻力F_f：

F_f＝(M+m)gf (2)

其中，M和m分别表示车辆自有质量和装载质量，g表示重力加速度，f表示滚动阻力系数。

本实施例中，通过分析发现，非公路车辆在矿山路面行使产生滚动阻力主要原因有轮胎变形和路面变形，并且非公路大型矿用车辆行使路面大多为土质路面，同时非公路车辆采用巨型轮胎，因此上述滚动阻力系数f优选地配置为0.02。

当然，在本发明的其他实施例中，根据非公路测车辆的实际特性以及路面特性，上述滚动阻力系数f的取值还可以配置为其他合理值，本发明并不对滚动阻力系数f的具体取值进行限定。

而对于待分析非公路车辆的空气阻力F_w，该方法优选地会首先获取待分析非公路车辆的风阻面积、风阻系数和车速，随后再根据上述风阻面积、风阻系数和车速确定待分析非公路车辆的空气阻力F_w。

例如，该方法可以根据如下表达式来确定待分析非公路车辆的空气阻力F_w：

其中，C_D表示非公路车辆空气阻力系数，l表示风阻系数，A表示风阻面积，V表示车速。

通过分析发现，非公路车辆在行使过程中正面迎风，而由于非公路车辆的车体特性(并不是像乘用车那样为流线型车身)，因此非公路车辆的风阻面积A和风阻系数l比较大。

本实施例中，非公路车辆的风阻系数l优选地配置为1。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际情况，非公路车辆的风阻系数l还可以配置为其他合理值(例如[0.9，1]区间内的合理值等)。

而如果待分析非公路车辆的行驶工况为下坡行驶工况，那么该方法在步骤S202中所获取的有效阻力则包括坡度阻力F_i和空气阻力F_w。这样该方法在步骤S203中也就会根据步骤S202中所获取到的待分析非公路车辆的坡度阻力F_i和空气阻力F_w来确定待分析非公路车辆在下坡行驶工况下的整车阻力F。

具体地，本实施例中，该方法优选地根据如下表达式来确定待分析非公路车辆在下坡行驶工况下的整车阻力F：

F＝F_w-F_i (4)

需要指出的是，本实施例中，在下坡行驶工况下所确定出的整车阻力的取值为负数时，此时的整车阻力也就表示车辆下坡时的下滑力。

本实施例中，该方法确定非公路车辆在下坡行驶工况下的空气阻力F_w的原理以及工程与上述确定平路行驶工况下空气阻力相同，故在此不再对该部分内容进行赘述。

本实施例中，在确定非公路车辆的坡度阻力F_i时，该方法优选地首先会获取待分析非公路车辆的车辆自有质量M、装载质量m以及行驶坡度θ，随后再根据上述车辆自有质量M、装载质量m以及行驶坡度θ确定坡度阻力F_i。

例如，该方法可以根据如下表达式确定非公路车辆的坡度阻力F_i：

F_i＝(M+m)g(sin(arctanθ-cos(tanθ)f)) (5)

当然，在本发明的其他实施例中，该方法还可以采用其他合理方式来确定非公路车辆的坡度阻力F_i，本发明不限于此。

在确定出待分析车辆的不同行驶工况下的整车阻力后，该方法也就可以基于所确定出的整车阻力来确定非公路车辆的电机制动性能。通过分析发现，非公路车辆在满载时下坡的下滑力为整车所需要的整车最大制动功率，因此，本实施例中，该方法优选地利用非公路车辆在满载时下坡的下滑力来确定非公路车辆的电机制动性能(即满足车辆工作要求时电机所需要提供的制动性能)。

如图3所示，本实施例中，该方法首先会在步骤S301中确定待分析非公路车辆在下坡行驶工况下的整车阻力。具体地，该方法可以通前文所述的方法来确定待分析非公路车辆在下坡行驶工况下的整车阻力F。同时，正如前面所描述的，非公路车辆在下坡行驶工况下的整车阻力F所表征的也就是非公路车辆在下坡行驶工况下所承受的下滑力。

在得到待分析非公路车辆在下坡行驶工况下的整车阻力F后，该方法会在步骤S302中获取待分析非公路车辆的车辆传动特征参数，并在步骤S303中根据上述车辆传动特征参数和整车阻力确定待分析非公路车辆在下坡行驶工况下的制动总转矩。

具体地，本实施例中，该方法在步骤S302中所获取到的车辆传动特征参数优选地包括：轮胎半径r以及轮边减速器的传动比i₀。例如，该方法可以根据如下表达式来确定待分析非公路车辆在下坡行驶工况下的制动总转矩：

其中，T表示制动总转矩。

如图3所示，本实施例中，在得到待分析车辆的制动总转矩T后，该方法也就可以在步骤S304中基于该制动总转矩T，根据待分析非公路车辆的牵引电机数量来确定单个牵引电机的制动功率。此制动功率也就表征单个牵引电机只有具备该制动功率性能才能够满足该非公路车辆的制动需求。

具体地，本实施例中，该方法优选地根据如下表达式来确定单个牵引电机的制动功率P：

其中，P表示单个牵引电机的制动功率，F表示整车阻力，r表示轮胎半径，n表示电机转速，k表示牵引电机数量，i₀表示轮边减速器的传动比。

当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，该方法还可以采用其他合理方式来根据待分析非公路车辆的制动总转矩T来确定单个牵引电机的制动功率，本发明不限于此。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的确定非公路车辆的整车阻力的方法通过建立整车在平路、不同坡度情况下的阻力模型及评估方法，能够准确评估出整车的阻力模型，进而根据下坡行驶工况下的整车阻力评估出车辆在矿山最大制动速度下的电驱动系统制动功率需求。

本方法能够有效的解决矿用车电驱动系统制动功率选取不准问题，这样也就可以避免整车频繁使用机械制动，从而减少整车机械制动烧毁，甚至造成整车安全风险问题。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种确定非公路车辆的整车阻力的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、获取待分析非公路车辆的行驶工况；

步骤二、基于所述行驶工况获取待分析非公路车辆的滚动阻力、空气阻力和坡度阻力中的有效阻力，其中，

在所述平路行驶工况下，获取所述待分析非公路车辆的滚动阻力和空气阻力作为有效阻力，其中，获取所述待分析非公路车辆的车辆自有质量和装载质量，根据所述车辆自有质量和装载质量确定所述滚动阻力，并获取所述待分析非公路车辆的风阻面积、风阻系数和车速，根据所述风阻面积、风阻系数和车速确定所述空气阻力；

在所述下坡行驶工况下，获取所述待分析非公路车辆的坡度阻力和空气阻力作为有效阻力，其中，先获取所述待分析非公路车辆的车辆自有质量、装载质量以及行驶坡度，而后根据所述车辆自有质量、装载质量以及行驶坡度确定所述坡度阻力；

步骤三、根据所获取到的有效阻力确定所述行驶工况下的整车阻力，其中，将所述滚动阻力与所述空气阻力之和作为所述平路行驶工况下的整车阻力，并将所述空气阻力与所述坡度阻力的差值作为所述下坡行驶工况下的整车阻力，以利用根据当前下坡行驶工况下的整车阻力而计算的制动功率，达到避免整车频繁启动机械制动的目的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，根据如下表达式确定所述平路行驶工况下的整车阻力：

F＝F_f+F_w

其中，F表示整车阻力，F_f表示滚动阻力，F_w表示空气阻力。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据如下表达式确定所述空气阻力：

其中，C_D表示非公路车辆空气阻力系数，l表示风阻系数，A表示风阻面积，V表示车速。

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述风阻系数的取值为1。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述下坡行驶工况下的整车阻力取值为负数时表征车辆下坡时的下滑力。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，根据如下表达式确定所述下坡行驶工况下的整车阻力：

F＝F_w-F_i

其中，F表示整车阻力，F_i表示坡度阻力，F_w表示空气阻力。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据如下表达式确定所述坡度阻力：

F_i＝(M+m)g(sin(arctanθ-cos(tanθ)f))

其中，F_w表示空气阻力，M和m分别表示车辆自有质量和装载质量，θ表示行驶坡度，f表示滚动阻力系数。

8.一种确定非公路车辆的电机制动性能的方法，其特征在于，所述方法包括：

采用如权利要求1～7中任一项所述的方法确定待分析非公路车辆在下坡行驶工况下的整车阻力；

获取所述待分析非公路车辆的车辆传动特征参数，根据所述车辆传动特征参数和整车阻力确定制动总转矩；

基于所述制动总转矩，根据所述待分析非公路车辆的牵引电机数量确定单个牵引电机的制动功率。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，根据如下表达式确定单个牵引电机的制动功率：

其中，P表示单个牵引电机的制动功率，F表示整车阻力，r表示轮胎半径，n表示电机转速，k表示牵引电机数量，i₀表示轮边减速器的传动比。

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