一種電動高爾夫球車的設計開發

柳金梅

（綠友機械集團股份有限公司，北京 101301）

0 引言

隨著科學技術的飛速發展，電動車自身難點的不斷解決，電動車的節能、環保、低噪音、低污染等優點更加突出[1]。尤其是在高爾夫球場上，很需要一種安靜、清潔的交通工具用來轉移打球人員和隨身物品，在這種市場需求的刺激下，國內外電動高爾夫球車（以下簡稱球車）廠家如雨后春筍般出現。但我國球車行業出現較晚，關鍵技術尤其是底盤的設計上多以仿制國外球車居多。這里我們就是要設計開發一款耐腐蝕的、外觀造型新穎的、完全自主知識產權的高爾夫球車產品。

1 球車設計原則

球車使用環境為高爾夫球場，參照國內外現狀，球車設計遵從的主要原則是：

（1）主要性能指標及實驗數據達到《GB/T21268非公路用旅游觀光車通用技術條件》，同時參考《美國國家球車安全和性能規范》。

（2）充分計算，在結構上將整車的穩定性、安全性和舒適性協調到最佳。

根據以上設計原則，從爬坡性能、縱側向穩定性和舒適性等角度，我們制定了球車的主要性能參數：①最高速度定為20km/h；②最大安全爬坡度定為30%；③續駛里程為60～80km即可滿足使用要求。

2 球車的總體方案

電動高爾夫球車的工作原理為由蓄電池提供電能，驅動電動機，電動機的輸出軸與驅動橋通過花鍵連接直接將動力傳遞到驅動輪上。球車的速度調節是通過油門踏板傳遞加速和減速信號到中央控制器來調節車速的變化。通過轉向機構控制球車的駕駛方向，行車制動和駐車制動共同來完成球車剎車和停車的安全問題。同時涉及行車安全的部件還有前后保險杠。圖1是我們設計和制造的球車外型結構圖。

圖1 球車結構簡圖Fig.1 Structure diagram of golf cart

3 球車的結構設計

球車相對于其它車輛而言相對簡單。需要投入大力氣的主要是以車架為主的底盤設計和整車的性能優化。我們針對用戶的需求，根據整個車輛的功能特點，進行車架上所有總成的布置，然后進行車架結構的基本設計，車架上各總成的布置決定了整車的主要尺寸、質量參數等[2]。

3.1 車架功能和設計要求

車架是球車系統總成、零部件的安裝基體，它將蓄電池、電機、覆蓋件、前后橋等連成一個有機整體，制動拉線、電氣線路也以車架為依托進行布局。同時，車架還承受整車各個系統總成的質量和有效載荷，來自于地面的各種沖擊也通過懸架傳遞到車架上。因此，車架要求有足夠的強度、彎曲剛度及適當的抗扭剛度，同時車架要盡量的輕量化。而車架的抗銹蝕能力決定了球車的壽命，于是耐腐蝕性強的全鋁車架則是首選。

3.2 車架基本結構設計

根據球車的基本參數，設計了球車車架的基本結構，見圖2。

圖2 車架結構簡圖Fig.2 Frame structure diagram

3.3 車架主梁的選材與設計

目前球車的車架主梁，其橫截面形狀多為矩形或圓形，且主要使用碳鋼型材，經過多次折彎而成，整體偏重，加工難度大。為解決上述問題，我們采用了一種新穎的車架主梁結構。

在選材上，我們優先考慮用鋁合金材料。因為鋁合金材料相對鋼材來說，具有質量輕、無需涂裝、耐腐蝕和美觀等優點。再結合各種鋁合金材料的焊接性、通用性以及市場上的供貨情況，最終選定主梁材料為6061（T6），該材料的性能見表1。為避免該材料在焊接過程中產生裂紋，選擇4043焊條，采用氬弧焊焊接車架總成。

在結構上，該主梁還采用新穎的折彎結構，使常見的4彎形狀減少為3彎形狀，大大降低了主梁的加工難度，可以使加工效率提高大概25%。如圖3（a）所示，長條形主梁為立體的三折彎結構。該主梁折彎結構的折彎角度可以根據車輛底盤的布局結構進行確定。

表1 鋁合金6061熱擠壓無縫管標準規定的力學性能[3]Tab.1 MechanicalProperties of Standard Specification for aluminum alloy 6061 hot extruded seamless tube[3]

圖3 車架主梁示意圖Fig.3 Schematic diagram of frame girder

根據最大彎矩計算主梁所需要的截面慣性矩，主梁選擇了矩形截面的鋁型材，并在主梁的橫截面上做了創新設計，如圖3（b）所示，該主梁橫截面為一具有圓角的中空矩形，具有一定管壁的厚度，且在該主梁的內頂面和內底面各設有一條向內凸起的加強筋，加強筋與主梁管壁的交界線為一圓弧，該圓弧的半徑R1為加強筋高度與主梁壁厚的差。此圓弧設計，有效降低了對y軸方向折彎時該部位的應力集中，降低了折彎過程中該部分開裂的可能性。

此結構設計在不增加主梁外形尺寸的條件下使得主梁的強度有很大的提高，可以廣泛適用于車輛底盤的主梁、各種結構用梁及承重件。同時，使該主梁在安裝使用過程中能夠有足夠的厚度采用打孔攻絲等工藝方法，能有效減少安裝的難度，增加主梁的使用范圍。

3.4 車架彎曲剛度有限元校核

在確定了車架的截面和材料后，為了校核車架的剛度和強度能否滿足設計要求，對球車的車架在滿載條件下進行了有限元仿真分析。

首先是建立車架模型：在分析過程中我們對車架模型進行了適當的簡化，只將主要承載應力的主梁和橫梁進行分析。然后對球車運用有限元分析對車架進行彎曲情況下的靜力學分析，分析的工況是：整車滿載水平放置，滿載質量作為靜載，不計動載系數，載荷方向垂直向下，模擬球車在平坦路面恒速行駛時產生的對稱垂直載荷。整車滿載質量為830kg，非簧載質量為125kg，則簧載質量為705kg。在此工況下的邊界約束為主縱梁在四個車輪位置的節點位移為零，模擬四輪著地的情況。本球車則是車架與板簧連接的三個位置認為垂直位移為零。具體載荷和反作用力的大小和位置分布如圖4所示。

圖4 車架載荷和位置Fig.4 Frame load and distribution

經車架有限元變形分析得結果如圖5所示。可以看出，車架在滿載時，主梁前面折彎處變形最大，最大變形量為1.16mm，在允許的范圍內；同樣經有限元應力分析可得車架的最大彎曲應力在車架中部，最大約為70MPa，將分析結果乘上動載系數2.5和疲勞系數1.2后，為210 Mpa，它小于材料的應力極限。

圖5 車架有限元分析變形量示意圖Fig.5 Deformation diagram of finite element analysis of frame

在實際的車架結構上還要焊接其它的鋁合金結構件，能進一步提高車架結構的剛度和強度，因此，實際最大彎曲應力截面處的應力還會更低。另外，通過有限元分析還可以加快球車的設計驗證速度，節省成本，同時對于其結構優化設計，提高球車車架的使用壽命都是非常重要的。

4 制動系統設計

制動系統是球車中最重要的部分之一，該部分的穩定性、可靠性和可操控性直接與整車的安全性相關。目前，各品牌球車均采用剎駐分離式制動踏板，即駐車踏板與剎車踏板分離，如需駐車制動需踩動單獨的駐車踏板，操作上存在一定的復雜性。同時，由于球車允許沒有機動車駕駛執照的人員操作，如果駕駛人員在下車時沒有及時踩下駐車踏板，極有可能造成事故，于安全性不利。因此，我們研發了獨特的剎駐一體式制動系統，實現一個制動踏板帶有剎車與駐車制動兩種功能。

該聯動機構中制動踏板與加速踏板是通過棘輪、棘爪相互關聯的，如圖6所示，棘輪與制動踏板軸相連，棘爪與加速踏板軸相連。棘輪上有兩個凹槽——即在剎車的的末端有兩個駐車檔位。當在一定范圍內踩制動踏板時，棘爪在棘輪的光滑段滑動，車子只做剎車制動，收腳后制動踏板自動回位；但當制動踏板踩到任意駐車檔時，棘爪落在棘輪的凹槽里，收腳后制動踏板并不回位，這時需要踩加速踏板，初始的力首先會使棘爪從棘輪的凹槽中脫出，釋放駐車，使制動踏板回位，繼續踩加速踏板，球車才加速前行。收腳后加速踏板自動回位，如此往復運動是該聯動機構的典型運動形式。

該系統大大簡化了制動部分結構，卻絲毫沒有降低該系統的穩定性和可靠性，減少了零件的數量，加強了操控性，有效地降低了在人車分離時由于沒有踩好駐車而發生事故的幾率。

圖6 球車踏板的結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the brake pedal integrated

5 外觀設計

由于球車使用場合的特殊性，國內外的多數品牌都將外觀設計擺在了整車設計中很重要的地位，我們也在造型方面花了很大的力氣（球車外觀參見圖1）。本產品整車外觀完全自主設計，采用流線型設計，線條靈動。整車塑料件采用工程PP改性塑料，通過注塑、吸塑、吹塑等不同工藝，實現不同功能對零件性能的要求。整車主要外覆件表面采用底漆、色漆、亮漆依次噴涂，配合套色工藝，漆料中添加抗UV成分，抗老化褪色能力較強。車燈采用汽車級LED技術，造型精致優美，與整車一體設計，透出產品的靈動。同時，在頂棚、頂棚支架等相關零件上布置了雨水導流系統，這些創新設計提升了駕乘體驗。

6 結束語

本產品是國內首款全鋁合金車架的、完全自主知識產權的高爾夫球車。它安全、舒適、環保，具有新穎外觀，可與球員和球童完美配合。該設計突破若干個關鍵技術難點，整車擁有多項專利，各方面特點突出。目前，該款高爾夫球車的開發已完成，上市后深受客戶喜愛，也為企業創造了很好的經濟效益。

[1]胡驊，宋慧.電動汽車[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]張洪欣.汽車設計[M].北京：機械工業出版社，1999.

[3]林鋼，林惠國，趙玉濤.鋁合金應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.