電動行李牽引車車架設計與優化

趙宇 王祖文

摘 要：新時期，隨著我國能源結構改革和電動車電池技術的日趨成熟，以電力為驅動動力的電動車輛正逐步地應用于機場專用車輛中。行李牽引車是機場專用車輛中的一種同時也是極為重要的一種，其主要用于機場與飛機之間的行李擺渡牽引。在采用電力作為行李牽引車的驅動動力時，由于其與傳統燃油車輛的不同需要對行李牽引車的車架進行重新設計。車架主要用于承擔車輛自身以及安裝在車輛上的動力系統以及其他附件的裝置，同時在車架的設計中還需要確保車架能夠承擔起車輛在行駛的過程中由于各類復雜工況所引起的復雜的載荷。與傳統的以燃油為動力的行李牽引車車架不同的是以電力為動力的行李牽引車的車架在承載力以及配載方式及結構上有著較大的差異。文章在分析電動行李牽引車車架承載載荷的基礎上對某一型號的電動行李牽引車車架的設計進行了分析闡述。

關鍵詞：電動行李牽引車；車架；設計

中圖分類號：U469 文獻標志碼：A 文章編號：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

行李牽引車是機場使用活躍度極高的一種機坪設備。現今的電動行李牽引車在設計中主要面臨著牽引動力小及爬坡度較低兩個方面的問題。因此需要對電動行李牽引車的車架進行重新設計與調整應以提高電動行李牽引車的使用性能。

1 電動行李牽引車運行過程中動力參數的選取

電動行李牽引車是以電力為驅動動力的機場專用車輛。為做好電動行李牽引車車架設計首先需要對電動行李牽引車的各項動力參數進行確定。某一型號電動行李牽引車在設計的過程中結合電動行李牽引車的實際運行情況規定電動行李牽引車所需要的最大牽引力為42kN，牽引拖車數量在5±1節的區間范圍內，單節拖車的凈重為5t左右，規定電動行李牽引車能夠以30km/h的最高時速在機場停機坪上行駛，電動行李牽引車最大爬坡角為25°，最大爬坡速度為5km/h，電動行李牽引車單日續航里程為150km。

1.1 電動行李牽引車自身重量的計算

電動行李牽引車自身重量是電動行李牽引車車架設計的基礎。為做好電動行李牽引車車架設計首先需要對電動行李牽引車自身重量進行計算。根據電動行李牽引車的相關牽引理論以牽引力為基礎來計算電動行李牽引車的自身重量。

PT=φG-fG

φ為附著系數，PT為牽引力，f為滾動阻力系數

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

1.2 電動行李牽引車電機參數

為保障電動行李牽引車具有良好動力性，結合電動行李牽引車的動力性能合理的選擇電動行李牽引車所使用電機的功率，用以確保電動行李牽引車所使用電機的質量和體積等能夠良好的滿足電動行李牽引車的使用所需。通過綜合考慮電動行李牽引車的最高車速、爬坡性能以及加速瞬時功率等各項參數。對于電機轉矩的選取要確保其能夠大于電動行李牽引車自身的啟動轉矩，同時綜合考慮電動行李牽引車的最大爬坡角和傳動系數的最大傳動比來進行確定。通過綜合計算后選取額定功率為36kW，額定轉速為1500r/min的電機。電動行李牽引車采用四電機驅動模式。

1.3 電動行李牽引車動力電池組的選取

為保障電動行李牽引車具有良好的動力，選用性價比較高的鉛酸電池為電動行李牽引車的驅動電池。電池組由于重量較重是在電動行李牽引車車架設計中需要優先考慮的部分，將電動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行李牽引車車架的載荷平衡并增加電動行李牽引車車輪的附著摩擦力。

2 電動行李牽引車車架設計與建模分析

2.1 電動行李牽引車初步設計與建模分析

按照公路車輛的尺寸規定，在某型號電動行李牽引車車架的設計中結合傳統燃油牽引車車架來進行電動行李牽引車車架的設計。結合電動行李牽引車的動力驅動方式、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行李牽引車車架的材料。由于電動行李牽引車在工作的過程中需要承受巨大的牽引拉力，在電動行李牽引車車架的結構上采用三主縱、六橫副的車輛分布模式，并在電動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行李牽引車車架上分布均衡。前輪電機布設于輪胎上，在電動行李牽引車車架設計時需要設計成拱形以便于輪胎與車架的連接，電動行李牽引車后輪的驅動電機放置于電動行李牽引車車架上。結合電動行李牽引車電池組的布設特點，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。對于電動行李牽引車上應力集中的部分應當加設加強筋用以強化車架的強度。在完成了電動行李牽引車車架的主體設計后將初步設計方案通過電腦建模用以分析車架的強度情況。

2.2 電動行李牽引車車架的靜態彎曲工況建模分析

彎曲工況主要用于模擬電動行李牽引車車架在電動行李牽引車自身滿載情況下靜結構強度及剛度，模擬計算電動行李牽引車車架在平整路面下勻速行駛工況下或是靜止狀態下車架的彎曲變形和應力分布。通過模擬計算數據顯示，電動行李牽引車車架的應力主要集中在前輪拱形結構處，在牽引力的作用下電動行李牽引車前輪車架拱形處上端將會產生應力集中約為270MPa，應力小于螺栓屈服應力，滿足使用要求。

2.3 電動行李牽引車車架扭轉工況建模分析

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

2.4 電動行李牽引車車架在制動工況下的應力分析

車輛制動是電動行李牽引車在行駛過程中不可避免的。尤其是在一些突發狀況下電動行李牽引車所產生的制動力十分巨大。電動行李牽引車所承受的制動力與電動行李牽引車行駛時的速度、自身的重量有著密切的聯系，在電動行李牽引車制動工況下電動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。通過對電動行李牽引車車架制動工況進行建模分析，電動行李牽引車車架在滿載情況下所產生的制動力將會造成電動行李牽引車車架約3mm左右的制動變形，其中制動載荷主要集中在電動行李牽引車車架的前輪中部，電動行李牽引車車架剩余部分在制動工況下所承受的應力與彎曲靜力工況下相同。通過模擬計算使用4mm的鋼管作為車架用材能夠滿足使用要求。

2.5 電動行李牽引車車架在轉彎工況下的應力分析

在電動行李牽引車轉彎行駛工況下，電動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行李牽引車轉彎行駛的側向加速度相關。同時電動行李牽引車在轉彎時牽引車將于拖車之間產生一個角度進而引起牽引力的變化。為避免電動行李牽引車發生側翻應當將轉彎速度控制在20km/h以內，以這一數據來對電動行李牽引車車架在轉彎時所承受的應力進行建模分析后發現，電動行李牽引車車架轉彎工況下的最大變形量能夠達到約3mm左右且變形應力能夠達到265MPa，在車架變形允許的范圍內。

2.6 電動行李牽引車車架結構優化

從電動行李牽引車車架整體模擬后的情況來看，電動行李牽引車車架整體結構的變形量處于可控的范圍內，電動行李牽引車車架整體變形量最大處發生于電動行李牽引車車架的前輪位置，這是由于電動行李牽引車車架的初始設計中前輪采用的是拱形結構，應力的集中所產生的較大的變形量和應力將影響電動行李牽引車車架前輪拱形結構的穩定性。因此需要對電動行李牽引車車架前輪拱形結構處進行結構優化，將前輪車架的拱形結構改為前橋來安裝電動行李牽引車的前輪，將前輪固定位置改到整體車架上，通過對電動行李牽引車車架進行結構優化使得電動行李牽引車車架在轉彎工況下的前輪的應力集中得以消除，經過模擬計算優化后的電動行李牽引車車架的變形量僅為0.5mm，遠遠小于優化之前的3mm，且應力也減小了約100MPa，從而使得電動行李牽引車車架的整體強度大為加強，不但電動行李牽引車車架的結構形式更加簡單且能夠滿足電動行李牽引車的使用需求。

3 結束語

由于電動行李牽引車與傳統燃油車動力結構的不同需要對電動行李牽引車車架進行重新設計，本文在分析電動行李牽引車特點的基礎上，對某一型號電動行李牽引車的動力參數進行了模擬設計，并通過數學建模用以分析使用4mm鋼管所構建的電動行李牽引車車架的結構的強度和剛度。通過模擬計算分析對電動行李牽引車車架的初步設計進行分析和優化，以確保電動行李牽引車車架能夠滿足使用需求。

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