電動(dòng)行李牽引車車架設(shè)計(jì)與優(yōu)化

趙宇 王祖文

摘 要：新時(shí)期，隨著我國能源結(jié)構(gòu)改革和電動(dòng)車電池技術(shù)的日趨成熟，以電力為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的電動(dòng)車輛正逐步地應(yīng)用于機(jī)場專用車輛中。行李牽引車是機(jī)場專用車輛中的一種同時(shí)也是極為重要的一種，其主要用于機(jī)場與飛機(jī)之間的行李擺渡牽引。在采用電力作為行李牽引車的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力時(shí)，由于其與傳統(tǒng)燃油車輛的不同需要對(duì)行李牽引車的車架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。車架主要用于承擔(dān)車輛自身以及安裝在車輛上的動(dòng)力系統(tǒng)以及其他附件的裝置，同時(shí)在車架的設(shè)計(jì)中還需要確保車架能夠承擔(dān)起車輛在行駛的過程中由于各類復(fù)雜工況所引起的復(fù)雜的載荷。與傳統(tǒng)的以燃油為動(dòng)力的行李牽引車車架不同的是以電力為動(dòng)力的行李牽引車的車架在承載力以及配載方式及結(jié)構(gòu)上有著較大的差異。文章在分析電動(dòng)行李牽引車車架承載載荷的基礎(chǔ)上對(duì)某一型號(hào)的電動(dòng)行李牽引車車架的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)行李牽引車；車架；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0124-02

Abstract： In the new era， with the reform of energy structure and the maturation of electric vehicle battery technology in China， electric vehicles driven by electric power are gradually used in airport special vehicles. Baggage tractor is one of the most important vehicles in airport， mainly used in the baggage ferry traction between the airport and the aircraft. When the electric power is used as the driving power of the baggage tractor， because of its difference from the traditional fuel vehicles， it needs to redesign the frame of the baggage tractor. The frame is mainly used to undertake the vehicle itself and the power system installed on the vehicle as well as other accessories. At the same time， in the design of the frame， it is necessary to ensure that the frame can bear the complex load caused by various complicated working conditions in the course of driving. There are great differences in the bearing capacity， stowage mode and structure of the electric baggage tractor frame. Based on the analysis of the load bearing load of the electric baggage tractor frame， this paper draws a certain type of electric baggage. The design of the frame of the lead car is analyzed and expounded.

Keywords： electric baggage tractor； frame； design

前言

行李牽引車是機(jī)場使用活躍度極高的一種機(jī)坪設(shè)備?，F(xiàn)今的電動(dòng)行李牽引車在設(shè)計(jì)中主要面臨著牽引動(dòng)力小及爬坡度較低兩個(gè)方面的問題。因此需要對(duì)電動(dòng)行李牽引車的車架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與調(diào)整應(yīng)以提高電動(dòng)行李牽引車的使用性能。

1 電動(dòng)行李牽引車運(yùn)行過程中動(dòng)力參數(shù)的選取

電動(dòng)行李牽引車是以電力為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的機(jī)場專用車輛。為做好電動(dòng)行李牽引車車架設(shè)計(jì)首先需要對(duì)電動(dòng)行李牽引車的各項(xiàng)動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行確定。某一型號(hào)電動(dòng)行李牽引車在設(shè)計(jì)的過程中結(jié)合電動(dòng)行李牽引車的實(shí)際運(yùn)行情況規(guī)定電動(dòng)行李牽引車所需要的最大牽引力為42kN，牽引拖車數(shù)量在5±1節(jié)的區(qū)間范圍內(nèi)，單節(jié)拖車的凈重為5t左右，規(guī)定電動(dòng)行李牽引車能夠以30km/h的最高時(shí)速在機(jī)場停機(jī)坪上行駛，電動(dòng)行李牽引車最大爬坡角為25°，最大爬坡速度為5km/h，電動(dòng)行李牽引車單日續(xù)航里程為150km。

1.1 電動(dòng)行李牽引車自身重量的計(jì)算

電動(dòng)行李牽引車自身重量是電動(dòng)行李牽引車車架設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。為做好電動(dòng)行李牽引車車架設(shè)計(jì)首先需要對(duì)電動(dòng)行李牽引車自身重量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)電動(dòng)行李牽引車的相關(guān)牽引理論以牽引力為基礎(chǔ)來計(jì)算電動(dòng)行李牽引車的自身重量。

PT=φG-fG

φ為附著系數(shù)，PT為牽引力，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)

通過上述公式可以看出牽引力與電動(dòng)行李牽引車自身的重量呈正比，從而可以計(jì)算出電動(dòng)行李牽引車自身的重量約為6300kg。

1.2 電動(dòng)行李牽引車電機(jī)參數(shù)

為保障電動(dòng)行李牽引車具有良好動(dòng)力性，結(jié)合電動(dòng)行李牽引車的動(dòng)力性能合理的選擇電動(dòng)行李牽引車所使用電機(jī)的功率，用以確保電動(dòng)行李牽引車所使用電機(jī)的質(zhì)量和體積等能夠良好的滿足電動(dòng)行李牽引車的使用所需。通過綜合考慮電動(dòng)行李牽引車的最高車速、爬坡性能以及加速瞬時(shí)功率等各項(xiàng)參數(shù)。對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的選取要確保其能夠大于電動(dòng)行李牽引車自身的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)綜合考慮電動(dòng)行李牽引車的最大爬坡角和傳動(dòng)系數(shù)的最大傳動(dòng)比來進(jìn)行確定。通過綜合計(jì)算后選取額定功率為36kW，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min的電機(jī)。電動(dòng)行李牽引車采用四電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。

1.3 電動(dòng)行李牽引車動(dòng)力電池組的選取

為保障電動(dòng)行李牽引車具有良好的動(dòng)力，選用性價(jià)比較高的鉛酸電池為電動(dòng)行李牽引車的驅(qū)動(dòng)電池。電池組由于重量較重是在電動(dòng)行李牽引車車架設(shè)計(jì)中需要優(yōu)先考慮的部分，將電動(dòng)行李牽引車的電池組分為兩部分分別放置于前、后輪之間，駕駛室位于兩者之間，這一布局方式有助于提高電動(dòng)行李牽引車車架的載荷平衡并增加電動(dòng)行李牽引車車輪的附著摩擦力。

2 電動(dòng)行李牽引車車架設(shè)計(jì)與建模分析

2.1 電動(dòng)行李牽引車初步設(shè)計(jì)與建模分析

按照公路車輛的尺寸規(guī)定，在某型號(hào)電動(dòng)行李牽引車車架的設(shè)計(jì)中結(jié)合傳統(tǒng)燃油牽引車車架來進(jìn)行電動(dòng)行李牽引車車架的設(shè)計(jì)。結(jié)合電動(dòng)行李牽引車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式、車輛的懸掛以及車輛自身重量與電池組配重的載荷分布。選用4mm的矩形鋼管作為電動(dòng)行李牽引車車架的材料。由于電動(dòng)行李牽引車在工作的過程中需要承受巨大的牽引拉力，在電動(dòng)行李牽引車車架的結(jié)構(gòu)上采用三主縱、六橫副的車輛分布模式，并在電動(dòng)行李牽引車車架的尾部采用斜拉梁形式使得牽引力在電動(dòng)行李牽引車車架上分布均衡。前輪電機(jī)布設(shè)于輪胎上，在電動(dòng)行李牽引車車架設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)計(jì)成拱形以便于輪胎與車架的連接，電動(dòng)行李牽引車后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)放置于電動(dòng)行李牽引車車架上。結(jié)合電動(dòng)行李牽引車電池組的布設(shè)特點(diǎn)，前后兩部分電池組的重量將分別落于第二、三和第四、五根橫梁上。對(duì)于電動(dòng)行李牽引車上應(yīng)力集中的部分應(yīng)當(dāng)加設(shè)加強(qiáng)筋用以強(qiáng)化車架的強(qiáng)度。在完成了電動(dòng)行李牽引車車架的主體設(shè)計(jì)后將初步設(shè)計(jì)方案通過電腦建模用以分析車架的強(qiáng)度情況。

2.2 電動(dòng)行李牽引車車架的靜態(tài)彎曲工況建模分析

彎曲工況主要用于模擬電動(dòng)行李牽引車車架在電動(dòng)行李牽引車自身滿載情況下靜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度，模擬計(jì)算電動(dòng)行李牽引車車架在平整路面下勻速行駛工況下或是靜止?fàn)顟B(tài)下車架的彎曲變形和應(yīng)力分布。通過模擬計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，電動(dòng)行李牽引車車架的應(yīng)力主要集中在前輪拱形結(jié)構(gòu)處，在牽引力的作用下電動(dòng)行李牽引車前輪車架拱形處上端將會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中約為270MPa，應(yīng)力小于螺栓屈服應(yīng)力，滿足使用要求。

2.3 電動(dòng)行李牽引車車架扭轉(zhuǎn)工況建模分析

電動(dòng)行李牽引車主要用于平坦的機(jī)場停機(jī)坪上的牽引運(yùn)輸，發(fā)生扭轉(zhuǎn)的情況極少。扭轉(zhuǎn)工況主要用于分析電動(dòng)行李牽引車車架在一輪懸空或是抬起的極端工況下的應(yīng)力分布情況。電動(dòng)行李牽引車車架在扭轉(zhuǎn)工況下是電動(dòng)行李牽引車行駛過程中一種極端工況，通過對(duì)這一工況下電動(dòng)行李牽引車車架的應(yīng)力分布情況進(jìn)行建模分析，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)工況下電動(dòng)行李牽引車車架的應(yīng)力集中主要分布于右前輪輪罩及尾部位置，這兩處在扭轉(zhuǎn)工況下會(huì)產(chǎn)生最大的車架變形，電動(dòng)行李牽引車車架的其他部分受到的影響較小。相較于靜態(tài)彎曲工況扭轉(zhuǎn)工況條件下電動(dòng)行李牽引車車架螺栓所受到的應(yīng)力約為330MPa，接近螺栓的材料屈服極限。

2.4 電動(dòng)行李牽引車車架在制動(dòng)工況下的應(yīng)力分析

車輛制動(dòng)是電動(dòng)行李牽引車在行駛過程中不可避免的。尤其是在一些突發(fā)狀況下電動(dòng)行李牽引車所產(chǎn)生的制動(dòng)力十分巨大。電動(dòng)行李牽引車所承受的制動(dòng)力與電動(dòng)行李牽引車行駛時(shí)的速度、自身的重量有著密切的聯(lián)系，在電動(dòng)行李牽引車制動(dòng)工況下電動(dòng)行李牽引車車架所受到的作用力除了有與彎曲工況相同的載荷外還要承受附加的加速度慣性力的作用。通過對(duì)電動(dòng)行李牽引車車架制動(dòng)工況進(jìn)行建模分析，電動(dòng)行李牽引車車架在滿載情況下所產(chǎn)生的制動(dòng)力將會(huì)造成電動(dòng)行李牽引車車架約3mm左右的制動(dòng)變形，其中制動(dòng)載荷主要集中在電動(dòng)行李牽引車車架的前輪中部，電動(dòng)行李牽引車車架剩余部分在制動(dòng)工況下所承受的應(yīng)力與彎曲靜力工況下相同。通過模擬計(jì)算使用4mm的鋼管作為車架用材能夠滿足使用要求。

2.5 電動(dòng)行李牽引車車架在轉(zhuǎn)彎工況下的應(yīng)力分析

在電動(dòng)行李牽引車轉(zhuǎn)彎行駛工況下，電動(dòng)行李牽引車車架將承受車輛載荷偏移作用力的影響。偏移載荷的大小與電動(dòng)行李牽引車轉(zhuǎn)彎行駛的側(cè)向加速度相關(guān)。同時(shí)電動(dòng)行李牽引車在轉(zhuǎn)彎時(shí)牽引車將于拖車之間產(chǎn)生一個(gè)角度進(jìn)而引起牽引力的變化。為避免電動(dòng)行李牽引車發(fā)生側(cè)翻應(yīng)當(dāng)將轉(zhuǎn)彎速度控制在20km/h以內(nèi)，以這一數(shù)據(jù)來對(duì)電動(dòng)行李牽引車車架在轉(zhuǎn)彎時(shí)所承受的應(yīng)力進(jìn)行建模分析后發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)行李牽引車車架轉(zhuǎn)彎工況下的最大變形量能夠達(dá)到約3mm左右且變形應(yīng)力能夠達(dá)到265MPa，在車架變形允許的范圍內(nèi)。

2.6 電動(dòng)行李牽引車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從電動(dòng)行李牽引車車架整體模擬后的情況來看，電動(dòng)行李牽引車車架整體結(jié)構(gòu)的變形量處于可控的范圍內(nèi)，電動(dòng)行李牽引車車架整體變形量最大處發(fā)生于電動(dòng)行李牽引車車架的前輪位置，這是由于電動(dòng)行李牽引車車架的初始設(shè)計(jì)中前輪采用的是拱形結(jié)構(gòu)，應(yīng)力的集中所產(chǎn)生的較大的變形量和應(yīng)力將影響電動(dòng)行李牽引車車架前輪拱形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此需要對(duì)電動(dòng)行李牽引車車架前輪拱形結(jié)構(gòu)處進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將前輪車架的拱形結(jié)構(gòu)改為前橋來安裝電動(dòng)行李牽引車的前輪，將前輪固定位置改到整體車架上，通過對(duì)電動(dòng)行李牽引車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得電動(dòng)行李牽引車車架在轉(zhuǎn)彎工況下的前輪的應(yīng)力集中得以消除，經(jīng)過模擬計(jì)算優(yōu)化后的電動(dòng)行李牽引車車架的變形量僅為0.5mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于優(yōu)化之前的3mm，且應(yīng)力也減小了約100MPa，從而使得電動(dòng)行李牽引車車架的整體強(qiáng)度大為加強(qiáng)，不但電動(dòng)行李牽引車車架的結(jié)構(gòu)形式更加簡單且能夠滿足電動(dòng)行李牽引車的使用需求。

3 結(jié)束語

由于電動(dòng)行李牽引車與傳統(tǒng)燃油車動(dòng)力結(jié)構(gòu)的不同需要對(duì)電動(dòng)行李牽引車車架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，本文在分析電動(dòng)行李牽引車特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)某一型號(hào)電動(dòng)行李牽引車的動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)，并通過數(shù)學(xué)建模用以分析使用4mm鋼管所構(gòu)建的電動(dòng)行李牽引車車架的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。通過模擬計(jì)算分析對(duì)電動(dòng)行李牽引車車架的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和優(yōu)化，以確保電動(dòng)行李牽引車車架能夠滿足使用需求。

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