中型道路清扫车的总体设计与研究
摘要：道路清扫车可以大大提高我国的环卫水平，减小清洁工的劳动强度，并且基于工作效率和城市形象的考虑，各级各地政府对清扫车的发展也越来越重视。但是，我国的环卫机械还非常落后，技术上还有不少难题没有解决。因此，研究和开发清扫车具有一定的理论意义和重要的实用价值。中型清扫车指车长3.5～4.5m的清扫车。本文在中型全液压驱动道路清扫车设计的基础上，对道路清扫车的总体设计进行探讨。1道路清扫车布置型式的设计分析1．1道路清扫车的驱动型式国内的清扫车主要是通过汽车底盘改装，采用主副发动机的布置形式。主发动机用来驱动清扫车......
道路清扫车可以大大提高我国的环卫水平，减小清洁工的劳动强度，并且基于工作效率和城市形象的考虑，各级各地政府对清扫车的发展也越来越重视。但是，我国的环卫机械还非常落后，技术上还有不少难题没有解决。因此，研究和开发清扫车具有一定的理论意义和重要的实用价值。中型清扫车指车长3.5～4.5 m的清扫车。本文在中型全液压驱动道路清扫车设计的基础上，对道路清扫车的总体设计进行探讨。
1 道路清扫车布置型式的设计分析
1．1 道路清扫车的驱动型式
国内的清扫车主要是通过汽车底盘改装，采用主副发动机的布置形式。主发动机用来驱动清扫车的行驶，副发动机用来驱动作业系统工作。该类清扫车的优点是行驶速度比较高，但是由于多用了一台发动机，整车的尺寸增大，清扫时产生的噪声也很大。考虑到清扫车主要在城市路面行驶，其行驶速度比较低，一般是在30km/h左右，作业速度更小。所以在设计时，设计一专用底盘，采用液压系统来实现清扫车的行驶和作业系统的工作。对于清扫车的行驶驱动采用泵控马达的型式，即通过一个主泵带动两个车轮马达驱动清扫车行驶。风机运转、扫刷运转也是通过泵控马达来实现，其传动路线如图1所示。这种驱动型式省去了离合器、变速箱，结构简单。由于采用专用底盘，便于主要部件的布置。
图1 动力传动路线
1．2 道路清扫车的布置型式
道路清扫车的布置型式是指发动机、泵和驾驶室以及清扫结构的相互关系和布置特点。由于发动机要直连泵，从液压系统设计可知主泵后还需串联两个泵。考虑底盘的空间利用率，所以采用发动机中置，这种布置的特点是驾驶室的布置不受发动机的限制，噪声小、对轴荷分配比较有利。
2 道路清扫车主要参数的确定
2．1 道路清扫车主要尺寸参数
2．1．1 轴距L
轴距短，最小转弯半径小，而纵向通过角却大，通过性好。但轴距过短，会造成垃圾箱长度不足或前、后悬过长，制动或上坡时轴荷转移过大，使得车本身的制动性和操纵稳定性变坏。目前，国内使用的中型清扫车的轴距多为1.5～1.7m。笔者设计的清扫车取轴距为1.6m。
2．1．2 前、后轮距B
轮距增大，对增大垃圾箱宽度与提高车身横向稳定性有利，但轮距过大，使得清扫车总宽和总质量增大。由于清扫车要求有一定的清扫宽度，相应的对清扫车的总宽有一定的要求，确定轮距B＝l300mm。
2．1．3 前悬L1和后悬L2
前悬要有足够的长度固定清扫结构，后悬的长度取决于垃圾箱的长度及发动机、泵、油箱所占有的空间。这样，前悬、后悬均在1.0m左右。
2．1．4 外廓尺寸
根据设计目标及作业系统的布置、垃圾箱的尺寸要求，确定该清扫车的外廓尺寸：3.6m×l.55m×2.1 m。
2．2 清扫车质量参数
2．2．1 清扫车的装载量me
装载量是指在硬质良好路面上行使时所允许的额定装载量，允许的额定装载量由垃圾箱的容积、一次清扫作业面积决定。
2．2，2 整车整备质量m0
整车整备质量是指车上带有全部装备、加满水、燃料时的整车质量。
2．2．3 总质量ma
清扫车的总质量是指装备齐全，装满垃圾时的整车质量，它等于整车整备质量、装载量和驾驶员质量mp的总和，即ma＝me+m0+mp (1)
2．3 清扫车的主要性能参数
2．3．1 清扫车的最高车速vmax
清扫车的最高车速是指作业完毕，返程的最高车速，根据设计目标，一般vmax＝30km/h左右。
2．3．2 清扫车的作业速度
根据路面的干净程度，清扫车的作业速度一般设定为5～12 km/h。
2．3．3 清扫宽度Bk
清扫宽度为(1+β)倍车宽，β的取值根据清扫作业装置结构和清扫车的设计目标确定。
2．4 发动机的分析选择
柴油机具有燃料经济性好、动力性好、工作可靠、寿命长、使用成本低等特点。该清扫车行驶环境是城市路面，要求发动机排污量少，所以选用柴油发动机。冷却方式是水冷，它的主要优点是冷却均匀可靠，散热性好，噪声小，能解决车内供暖。
根据清扫车的功能以及清扫车的行驶条件，发动机的最大功率p是清扫车行驶部分消耗的功率p1、扫刷工作时消耗的功率p2及风机工作时消耗的功率p3之和。即发动机最大功率pemax应满足pemax≥p1+ p2+ p3 (2)
2．5 轮胎的选择
道路清扫车主要用于城市道路，并且由于清扫车的总质量较大，所选择的轮胎应满足下述基本要求：足够的负荷能力；具有较小的滚动阻力和行驶噪声；良好的附着特性和质量平衡；满足驱动马达的安装尺寸。
2．6 道路清扫车的轴荷分配和质心计算
根据车辆设计的一般原则，并考虑清扫车在倾倒垃圾时垃圾箱需翻转不小于45°所造成的清扫车质心后移因素计算轴荷及质心位置。同时，计算坡道行驶状态下的轴荷和质心位置。该车的质心和轴荷分配如表1所示。
表1 清扫车质心和轴荷分配
扫车质心以及轴荷分配的计算水平路面行驶上坡行驶时箱体翻转时
空载满载空载满载满载
质量参数与轴荷分配，kg最大总质量30004000300040004000
前轴负荷1953.252078.251733.181750.671812.63
负荷率65.1%52%58%48%45.3%
后轴负荷1046.751921.751266.822249.332187.38
负荷率34.9%48%42%52%54.7%
质心位置，mm质心到前轴距离558769558769875
质心高度692794692794852
2．7 纵向稳定性分析
当车辆停放在坡道上或者在坡道上行驶时，或者垃圾箱翻转倾倒垃圾时，若坡道阻力大于附着力时车辆由于附着力不足而向下滑移，会出现失稳现象。保证不纵向倾翻的极限坡度为：tanα=L1/hg>φ0 (3)
式中：α为极限坡度角；L1为满载时质心到前轴的距离；hg为满载时的质心高度；φ0为附着系数，取0.8[5]。
2．8 横向稳定性分析
在侧坡上直线行使时，或者垃圾箱翻转倾倒垃圾时，当坡度大到质心通过一侧车轮中心，而另一侧车轮的地面法向反作用力等于零时，则清扫车将发生侧向倾翻，此时tanβ=B/(2h) (4)
式中：B为前轮距；2h为满载时的质心高度。
3 道路清扫车总布置设计的实现
3．1 确定基准线
基准线包括：车架上平面，它作为垂直方向尺寸的基准面；前轮中心线，它作为纵向尺寸的基准线；清扫车中心线，它作为横向尺寸的基准线；地面线，此线是标注接近角、离去角和离地间隙等尺寸的基准线。
3．2 各部件的布置
3．2．1 发动机和泵的布置
由于全液压清扫车驱动部分是泵控马达型式，而风机的运转和扫刷的运转也是泵控马达的型式，所以清扫车的动力源泵有三个。考虑到整车的结构，采用直连的布置型式。由于省略了离合器和变速箱，使得整车结构紧凑，传动效率高，维护简单，操作简便。
3．2．2 驾驶室的布置
主要考虑到以下因素：驾驶室的地板线与车架上平面应有一定距离，以保证地板下操纵杆件有足够的运动间隙；驾驶室的视野必须开阔，以保证驾驶员能很好的判断路面清扫状况；驾驶室后围有足够的空间保证风机管道的通过；驾驶室内部的控制面板因为按钮比较多，应方便驾驶员操作。
综合考虑上述因素，驾驶室整体布置在底盘上，驾驶室的前围和侧围采用简单的框架结构，并配以较大块的风窗玻璃，保证驾驶员的视野。控制面板布置在驾驶室前端，方便驾驶员操作；工具箱布置在驾驶员的座椅下，蓄电池布置在副驾驶员座椅下，以提高驾驶室的空间利用率；空调布置在驾驶室顶端；驾驶室后围留出一定的空间布置吸口管道。
3．2.3 作业系统的布置
作业系统主要包括扫刷、吸口、喷水管，主要考虑以下影响因素：扫刷和吸口与地面应有一定的距离，使得作业系统能够根据路面情况自动调节与地面接触的距离，并且清扫完毕时扫刷和吸口有足够的空间升起；扫刷和吸口之间应有一定的重叠，保证清扫作业时不留下长条形垃圾带；喷水管能够向扫刷内侧倾斜，以保证降尘效果。
综合考虑上述影响因素以及整车的尺寸，扫刷和吸口布置在驾驶室下端，伸起后与地面的距离在70 mm左右，喷水管向扫刷内侧倾斜45°左右。
3．2．4 垃圾箱的布置
主要考虑以下因素：垃圾箱的长度适宜，以保证有合适的降尘区；风机布置在垃圾箱的顶盖上，风机的出风口必须通过垃圾箱的顶盖，所以顶盖须设计成双层，并且有良好的密封，保证气流通过；箱体内部需有过滤网，防止垃圾通过出风口降落到地面，造成二次污染；箱体应避让伸出底盘部分的主要零件。
综合考虑上述影响因素，垃圾箱整体布置在底盘上，风机布置在垃圾箱顶端，并设计专门的支架支撑风机。
3．2．5 转向系和制动系的布置
采用如下型式：方向盘应布置在驾驶室的右边，因为清扫车作业时靠近路牙行驶，采取这种布置型式的目的是保证驾驶员能很好的判断路面的洁净程度；制动系的管路和转向横拉杆均布置在驾驶室下面，并与清扫结构之间有一定的间隙，防止结构之间互相干涉。
1 道路清扫车布置型式的设计分析
1．1 道路清扫车的驱动型式
国内的清扫车主要是通过汽车底盘改装，采用主副发动机的布置形式。主发动机用来驱动清扫车的行驶，副发动机用来驱动作业系统工作。该类清扫车的优点是行驶速度比较高，但是由于多用了一台发动机，整车的尺寸增大，清扫时产生的噪声也很大。考虑到清扫车主要在城市路面行驶，其行驶速度比较低，一般是在30km/h左右，作业速度更小。所以在设计时，设计一专用底盘，采用液压系统来实现清扫车的行驶和作业系统的工作。对于清扫车的行驶驱动采用泵控马达的型式，即通过一个主泵带动两个车轮马达驱动清扫车行驶。风机运转、扫刷运转也是通过泵控马达来实现，其传动路线如图1所示。这种驱动型式省去了离合器、变速箱，结构简单。由于采用专用底盘，便于主要部件的布置。
图1 动力传动路线
1．2 道路清扫车的布置型式
道路清扫车的布置型式是指发动机、泵和驾驶室以及清扫结构的相互关系和布置特点。由于发动机要直连泵，从液压系统设计可知主泵后还需串联两个泵。考虑底盘的空间利用率，所以采用发动机中置，这种布置的特点是驾驶室的布置不受发动机的限制，噪声小、对轴荷分配比较有利。
2 道路清扫车主要参数的确定
2．1 道路清扫车主要尺寸参数
2．1．1 轴距L
轴距短，最小转弯半径小，而纵向通过角却大，通过性好。但轴距过短，会造成垃圾箱长度不足或前、后悬过长，制动或上坡时轴荷转移过大，使得车本身的制动性和操纵稳定性变坏。目前，国内使用的中型清扫车的轴距多为1.5～1.7m。笔者设计的清扫车取轴距为1.6m。
2．1．2 前、后轮距B
轮距增大，对增大垃圾箱宽度与提高车身横向稳定性有利，但轮距过大，使得清扫车总宽和总质量增大。由于清扫车要求有一定的清扫宽度，相应的对清扫车的总宽有一定的要求，确定轮距B＝l300mm。
2．1．3 前悬L1和后悬L2
前悬要有足够的长度固定清扫结构，后悬的长度取决于垃圾箱的长度及发动机、泵、油箱所占有的空间。这样，前悬、后悬均在1.0m左右。
2．1．4 外廓尺寸
根据设计目标及作业系统的布置、垃圾箱的尺寸要求，确定该清扫车的外廓尺寸：3.6m×l.55m×2.1 m。
2．2 清扫车质量参数
2．2．1 清扫车的装载量me
装载量是指在硬质良好路面上行使时所允许的额定装载量，允许的额定装载量由垃圾箱的容积、一次清扫作业面积决定。
2．2，2 整车整备质量m0
整车整备质量是指车上带有全部装备、加满水、燃料时的整车质量。
2．2．3 总质量ma
清扫车的总质量是指装备齐全，装满垃圾时的整车质量，它等于整车整备质量、装载量和驾驶员质量mp的总和，即ma＝me+m0+mp (1)
2．3 清扫车的主要性能参数
2．3．1 清扫车的最高车速vmax
清扫车的最高车速是指作业完毕，返程的最高车速，根据设计目标，一般vmax＝30km/h左右。
2．3．2 清扫车的作业速度
根据路面的干净程度，清扫车的作业速度一般设定为5～12 km/h。
2．3．3 清扫宽度Bk
清扫宽度为(1+β)倍车宽，β的取值根据清扫作业装置结构和清扫车的设计目标确定。
2．4 发动机的分析选择
柴油机具有燃料经济性好、动力性好、工作可靠、寿命长、使用成本低等特点。该清扫车行驶环境是城市路面，要求发动机排污量少，所以选用柴油发动机。冷却方式是水冷，它的主要优点是冷却均匀可靠，散热性好，噪声小，能解决车内供暖。
根据清扫车的功能以及清扫车的行驶条件，发动机的最大功率p是清扫车行驶部分消耗的功率p1、扫刷工作时消耗的功率p2及风机工作时消耗的功率p3之和。即发动机最大功率pemax应满足pemax≥p1+ p2+ p3 (2)
2．5 轮胎的选择
道路清扫车主要用于城市道路，并且由于清扫车的总质量较大，所选择的轮胎应满足下述基本要求：足够的负荷能力；具有较小的滚动阻力和行驶噪声；良好的附着特性和质量平衡；满足驱动马达的安装尺寸。
2．6 道路清扫车的轴荷分配和质心计算
根据车辆设计的一般原则，并考虑清扫车在倾倒垃圾时垃圾箱需翻转不小于45°所造成的清扫车质心后移因素计算轴荷及质心位置。同时，计算坡道行驶状态下的轴荷和质心位置。该车的质心和轴荷分配如表1所示。
表1 清扫车质心和轴荷分配
扫车质心以及轴荷分配的计算水平路面行驶上坡行驶时箱体翻转时
空载满载空载满载满载
质量参数与轴荷分配，kg最大总质量30004000300040004000
前轴负荷1953.252078.251733.181750.671812.63
负荷率65.1%52%58%48%45.3%
后轴负荷1046.751921.751266.822249.332187.38
负荷率34.9%48%42%52%54.7%
质心位置，mm质心到前轴距离558769558769875
质心高度692794692794852
2．7 纵向稳定性分析
当车辆停放在坡道上或者在坡道上行驶时，或者垃圾箱翻转倾倒垃圾时，若坡道阻力大于附着力时车辆由于附着力不足而向下滑移，会出现失稳现象。保证不纵向倾翻的极限坡度为：tanα=L1/hg>φ0 (3)
式中：α为极限坡度角；L1为满载时质心到前轴的距离；hg为满载时的质心高度；φ0为附着系数，取0.8[5]。
2．8 横向稳定性分析
在侧坡上直线行使时，或者垃圾箱翻转倾倒垃圾时，当坡度大到质心通过一侧车轮中心，而另一侧车轮的地面法向反作用力等于零时，则清扫车将发生侧向倾翻，此时tanβ=B/(2h) (4)
式中：B为前轮距；2h为满载时的质心高度。
3 道路清扫车总布置设计的实现
3．1 确定基准线
基准线包括：车架上平面，它作为垂直方向尺寸的基准面；前轮中心线，它作为纵向尺寸的基准线；清扫车中心线，它作为横向尺寸的基准线；地面线，此线是标注接近角、离去角和离地间隙等尺寸的基准线。
3．2 各部件的布置
3．2．1 发动机和泵的布置
由于全液压清扫车驱动部分是泵控马达型式，而风机的运转和扫刷的运转也是泵控马达的型式，所以清扫车的动力源泵有三个。考虑到整车的结构，采用直连的布置型式。由于省略了离合器和变速箱，使得整车结构紧凑，传动效率高，维护简单，操作简便。
3．2．2 驾驶室的布置
主要考虑到以下因素：驾驶室的地板线与车架上平面应有一定距离，以保证地板下操纵杆件有足够的运动间隙；驾驶室的视野必须开阔，以保证驾驶员能很好的判断路面清扫状况；驾驶室后围有足够的空间保证风机管道的通过；驾驶室内部的控制面板因为按钮比较多，应方便驾驶员操作。
综合考虑上述因素，驾驶室整体布置在底盘上，驾驶室的前围和侧围采用简单的框架结构，并配以较大块的风窗玻璃，保证驾驶员的视野。控制面板布置在驾驶室前端，方便驾驶员操作；工具箱布置在驾驶员的座椅下，蓄电池布置在副驾驶员座椅下，以提高驾驶室的空间利用率；空调布置在驾驶室顶端；驾驶室后围留出一定的空间布置吸口管道。
3．2.3 作业系统的布置
作业系统主要包括扫刷、吸口、喷水管，主要考虑以下影响因素：扫刷和吸口与地面应有一定的距离，使得作业系统能够根据路面情况自动调节与地面接触的距离，并且清扫完毕时扫刷和吸口有足够的空间升起；扫刷和吸口之间应有一定的重叠，保证清扫作业时不留下长条形垃圾带；喷水管能够向扫刷内侧倾斜，以保证降尘效果。
综合考虑上述影响因素以及整车的尺寸，扫刷和吸口布置在驾驶室下端，伸起后与地面的距离在70 mm左右，喷水管向扫刷内侧倾斜45°左右。
3．2．4 垃圾箱的布置
主要考虑以下因素：垃圾箱的长度适宜，以保证有合适的降尘区；风机布置在垃圾箱的顶盖上，风机的出风口必须通过垃圾箱的顶盖，所以顶盖须设计成双层，并且有良好的密封，保证气流通过；箱体内部需有过滤网，防止垃圾通过出风口降落到地面，造成二次污染；箱体应避让伸出底盘部分的主要零件。
综合考虑上述影响因素，垃圾箱整体布置在底盘上，风机布置在垃圾箱顶端，并设计专门的支架支撑风机。
3．2．5 转向系和制动系的布置
采用如下型式：方向盘应布置在驾驶室的右边，因为清扫车作业时靠近路牙行驶，采取这种布置型式的目的是保证驾驶员能很好的判断路面的洁净程度；制动系的管路和转向横拉杆均布置在驾驶室下面，并与清扫结构之间有一定的间隙，防止结构之间互相干涉。
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