應(yīng)急救援裝備小型手扶式運(yùn)輸車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜波， 王建華， 殷鷹， 胡園園， 陳娟， 毛丹（

1.四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，成都610061;2.西華大學(xué) 汽車與交通學(xué)院,成都610039;3.四川省消防總隊(duì)眉山市消防支隊(duì),四川眉山 620020）

0 引言

近幾年來，我國西部地區(qū)自然災(zāi)害頻發(fā)，造成了慘重的人員傷亡以及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。發(fā)生自然災(zāi)害的地區(qū)往往是一些地勢復(fù)雜、交通欠發(fā)達(dá)的貧困偏遠(yuǎn)地區(qū)[1-2]。一旦主干道路受阻，大型救援專業(yè)設(shè)備將無法快速運(yùn)抵災(zāi)區(qū)現(xiàn)場。此時，消防救援官兵只能以人力背運(yùn)或擔(dān)架搬運(yùn)的方式攜帶一些應(yīng)急救援裝備，沿著一些狹窄的山間小路以徒步的方式挺進(jìn)災(zāi)區(qū)。但長距離的負(fù)重步行會增加士兵負(fù)擔(dān)、消耗體能，將嚴(yán)重影響到搶險(xiǎn)救援的有效實(shí)施。因此，有必要開發(fā)一種能在復(fù)雜道路上（如：狹窄鄉(xiāng)村小道、坑洼路面、陡長坡道等）輔助消防官兵運(yùn)輸應(yīng)急救援裝備小型運(yùn)輸工具。以減輕消防官兵的負(fù)擔(dān)，節(jié)省體能，提高部隊(duì)?wèi)?yīng)急搶險(xiǎn)救援的能力。

國外應(yīng)急救援裝備運(yùn)輸工具研發(fā)較早，如美國山貓機(jī)械公司開發(fā)的多功能小型滑移轉(zhuǎn)向裝載機(jī)體型小巧、重量輕、機(jī)動性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、適用條件廣泛，該機(jī)裝備了功能多樣的救援工具，能在非公路、惡劣地形條件下展開各種運(yùn)輸、援助、挖掘等任務(wù)[3]。日本研制成功一種自動消防裝備運(yùn)輸車，該車通過遙控自動行駛，可超近距離地停靠在火場，適用于危險(xiǎn)環(huán)境下的消防任務(wù)[4]。總的來說，國外應(yīng)急救援裝備運(yùn)輸車朝著小型化、功能多樣化、智能化方向發(fā)展。

國內(nèi)一些汽摩企業(yè)先后成功開發(fā)了救援裝備全地形四輪運(yùn)輸車、救援裝備三輪摩托車等救援裝備運(yùn)輸工具，具有體積小巧、機(jī)動靈活、易操作、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可用于城市巷道、建筑物密集區(qū)域的搶險(xiǎn)中救援裝備運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)[5-7]。但在偏遠(yuǎn)地區(qū)十分狹窄的山間小道上難于完成運(yùn)輸救援裝備的任務(wù)。同時，一些基層消防部隊(duì)技術(shù)人員也在積極探索適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)急救援裝備運(yùn)輸工具，如將獨(dú)輪車（俗稱“雞公車”）改裝成應(yīng)急救援裝備運(yùn)輸車，具有靈活、小巧的特點(diǎn)，適用于狹窄山間小道的運(yùn)輸任務(wù)，但由于采用人力驅(qū)動，對士兵體能消耗較大。

本文在對目前各種現(xiàn)有小型運(yùn)輸車進(jìn)行對比分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于發(fā)動機(jī)后置前驅(qū)的應(yīng)急救援裝備小型手扶式運(yùn)輸車布置方案。并對車輛動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了匹配。結(jié)合SolidWorks三維建模軟件，對應(yīng)急救援裝備小型手扶式運(yùn)輸車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)復(fù)雜道路上應(yīng)急救援裝備運(yùn)輸問題提供一種有效途徑。

1 小型手扶式運(yùn)輸車總體布置方案

由于運(yùn)輸車需要在山區(qū)狹窄小道上行駛，車輪布置形式是關(guān)鍵。目前各種現(xiàn)有的小型運(yùn)輸車車輪布置方案有四輪式、正三輪式、倒三輪式、橫向兩輪式、縱向兩輪式、獨(dú)輪式6種類型，如圖1所示。

圖1 各種小型運(yùn)輸車車輪布置方案

四輪式運(yùn)行平穩(wěn)、轉(zhuǎn)向輕便，但整備質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。正三輪式、倒三輪式運(yùn)行平穩(wěn)、整備質(zhì)量相對較輕、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡單。橫向兩輪式平穩(wěn)性較好、整備質(zhì)量更輕，但轉(zhuǎn)向性能較差，以上幾種布置方案由于具有一定寬度的輪距，限制了其在山區(qū)狹窄小道上的使用。縱向兩輪式通過性強(qiáng)、轉(zhuǎn)向方便。獨(dú)輪式靈活、通過性強(qiáng)。這兩種布置方案適合于山區(qū)狹窄小道運(yùn)輸，但平衡性較差，需要人力來保持車輛平衡。

小型運(yùn)輸車駕駛員的操作形式有手扶式和方向盤操作兩種形式。方向盤式比手扶式更省力，但由于運(yùn)輸車行駛的路況比較復(fù)雜，同時也為了操作人員的安全，手扶式更適合。

小型運(yùn)輸車驅(qū)動方式有發(fā)動機(jī)前置前驅(qū)、發(fā)動機(jī)后置后驅(qū)、發(fā)動機(jī)后置前驅(qū)等幾種，發(fā)動機(jī)前置前驅(qū)使整車質(zhì)心前移，并且不方便加油。發(fā)動機(jī)后置后驅(qū)使整車質(zhì)心后移。發(fā)動機(jī)后置前驅(qū)整車質(zhì)量分布均勻，并且加油、啟動均方便。

綜上所述，通過對現(xiàn)有小型運(yùn)輸車布置方案對比分析，將正三輪式和獨(dú)輪式進(jìn)行綜合，本文設(shè)計(jì)了一種基于發(fā)動機(jī)后置前驅(qū)的應(yīng)急救援裝備小型手扶式運(yùn)輸車布置方案，如圖2所示。

圖2 小型手扶式運(yùn)輸車布置方案

該小型運(yùn)輸車以發(fā)動機(jī)為動力，前輪驅(qū)動，后兩輪為萬向輪，起輔助作用。該車采用三輪行駛時，運(yùn)行平穩(wěn)。在遇到狹窄的道路時，可將后兩輪折疊，實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪驅(qū)動行駛。

2 小型手扶式運(yùn)輸車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配

運(yùn)輸車性能在很大程度上取決于發(fā)動機(jī)與傳動系的合理匹配，運(yùn)輸車的動力性能指標(biāo)主要包括最高車速、最大爬坡度和加速時間[8]。本文設(shè)計(jì)的小型運(yùn)輸車動力性能目標(biāo)參數(shù)如表1所示。

運(yùn)輸車動力傳動系統(tǒng)參數(shù)匹配主要包括發(fā)動機(jī)與傳動系速比參數(shù)計(jì)算，具體計(jì)算過程如下。

表1 整車動力性能指標(biāo)

2.1 發(fā)動機(jī)峰值功率

1）以最高車速行駛時所需功率Pe1。

即車輛在良好水平路面上以最高車速umax直線運(yùn)行時所需的最大功率，其計(jì)算公式如下：

式中：G為車輛整備質(zhì)量;f為滾動阻力系數(shù);A為車輛迎風(fēng)面積;CD為空氣阻力系數(shù);ηt為傳動系統(tǒng)的效率。

2）以最大爬坡度行駛時所需功率Pe2。

即車輛在良好路面上以一定的速度爬上最大坡度路面所需的最大功率。其計(jì)算公式如下：

式中：αmax為最大爬坡度；ua為車輛爬坡速度。

3）加速過程中所需功率Pe3。

即車輛原地起步加速過程中所需的最大功率，根據(jù)車輛行駛功率方程式，加速過程中所需功率為

車輛加速運(yùn)行過程并非勻加速過程，公式（3）的速度不能直接用加速末了時刻的速度ut。可采用文獻(xiàn)[9]中提供的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ut為車輛加速末了時刻的速度;tt為車輛的加速時間;δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)。

運(yùn)輸車行駛過程中所需的動力全部來自發(fā)動機(jī)，因此，所需發(fā)動機(jī)功率應(yīng)同時滿足車輛運(yùn)行過程最高車速、最大爬坡性能及最大加速性能所需的功率[10]。即發(fā)動機(jī)最大功率需滿足：Pemax≥max（Pe1,Pe2,Pe3）。

將整車參數(shù)帶入上式后，計(jì)算可得發(fā)動機(jī)最大功率為Pemax≥1.6 kW。根據(jù)市面上所提供的發(fā)動機(jī)類型，最終選擇一款二沖程通用汽油機(jī)作為小型運(yùn)輸車動力源。其具體參數(shù)如表2所示。

表2 二沖程通用汽油機(jī)參數(shù)

2.2 傳動系速比計(jì)算

運(yùn)輸車傳動系參數(shù)設(shè)計(jì)的原則是在滿足車輛動力性要求的同時，所選部件質(zhì)量輕、體積小。為了滿足車輛的動力性能，設(shè)置兩個減速比，即最大傳動比imax和最小傳動比imin。

1）最大傳動比imax。確定最大傳動比時，需要考慮車輛最大爬坡度和車輛最低穩(wěn)定車速的要求。根據(jù)發(fā)動機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和車輛最大爬坡度，可得傳動系最大傳動比為

式中：r為車輪半徑；Temax為發(fā)動機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)最低穩(wěn)定車速的要求可得傳動系最大傳動比為

式中：nmin為發(fā)動機(jī)怠速轉(zhuǎn)速；umin為車輛最低穩(wěn)定車速。

2）最小傳動比imin。最小傳動比的選擇應(yīng)該保證車輛能達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)的最高車速。根據(jù)發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速和車輛的最高車速，可得傳動系最小傳動比為

式中：nemax為發(fā)動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速；umax為車輛最高車速。

將已知參數(shù)帶入公式（5）～（7）后，可得，imin≤87.2；129.7≤imax≤135.7。初步選擇運(yùn)輸車的最小傳動比imin為85，最大傳動比imax為133。

由于所計(jì)算的傳動比較大，考慮到整車總體布置的方便，以及減輕變速器重量，將運(yùn)輸車的傳動系統(tǒng)分為三級傳動，第一級采用蝸桿蝸輪減速器，第二級為兩擋變速器，第三級為鏈傳動。傳動系總的傳動比可表示為

式中：iz為傳動系總的傳動比;ig為變速器速比;io為主減速器速比;ic為鏈傳動速比。

根據(jù)所提供的蝸桿渦輪減速器類型，選擇其速比io=50。根據(jù)鏈傳動的常用范圍，選擇鏈傳動的速比ic=1.385。從而，變速器一擋傳動比ig1=1.92，二擋傳動比ig2=1.26。

根據(jù)匹配的發(fā)動機(jī)和傳動系參數(shù)以及整車參數(shù)，運(yùn)用Matlab語言編制計(jì)算程序[11]，對運(yùn)輸車的動力性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3～圖5所示。從圖3～圖5可知，運(yùn)輸車動力性能計(jì)算結(jié)果滿足表1中的整車性能要求，說明發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)是合理的。

圖3 驅(qū)動力-行駛阻力圖

圖4 爬坡度圖

圖5 0～7 km/h加速時間曲線

3 小型手扶式運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于要求設(shè)計(jì)的運(yùn)輸車具備拆裝方便的功能。因此，運(yùn)用模塊化方法，將運(yùn)輸車分解成動力傳動系統(tǒng)、車架、車扶手及輔助輪和驅(qū)動輪4個模塊。下面結(jié)合SolidWorks軟件[12]，對每個模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1）動力傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)。小型運(yùn)輸車動力傳動系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、蝸桿蝸輪主減速器、兩擋變速器和鏈條鏈輪組成。動力傳動系統(tǒng)中，除變速器之外，其余部件均為標(biāo)準(zhǔn)件，可在市場上購買。本文從減輕變速器質(zhì)量、簡化變速器結(jié)構(gòu)、便于制造方面考慮，自主設(shè)計(jì)了兩擋手動變速器，其換擋機(jī)構(gòu)采用直齒滑動齒輪形式[13]。其配齒參數(shù)如表3所示。表中齒輪均采用標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，齒頂高系數(shù)取1，頂隙系數(shù)取0.25。

齒輪材料選取20CrMnTi，采用滲碳淬火熱處理。對齒輪接觸和彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校核[14]，計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，I擋和II擋齒輪副的接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均滿足要求。

表3 齒輪參數(shù)

表4 齒輪強(qiáng)度計(jì)算

運(yùn)用SolidWorks軟件建立兩擋滑齒式手動變速器的三維模型[15]，如圖6所示。

圖6 兩擋直齒滑齒式手動變速器

設(shè)計(jì)的動力傳動系統(tǒng)總成如圖7所示。圖7中，發(fā)動機(jī)輸出軸與蝸桿蝸輪減速器的輸入端連接，蝸桿蝸輪減速器的輸出端連接變速器的輸入軸。發(fā)動機(jī)殼體、蝸桿蝸輪減速器殼體和變速器殼體分別通過螺栓固連在連接板上，連接板與車架通過螺栓固結(jié)。主動鏈輪與變速器輸出軸連接，通過鏈條將動力轉(zhuǎn)遞給從動鏈輪（見圖10）。

圖7 動力傳動系統(tǒng)總成

圖8 車架設(shè)計(jì)

2）車架設(shè)計(jì)。從整車輕量化角度開展車架設(shè)計(jì)，如圖8所示。圖8中車架采用邊梁式結(jié)構(gòu)形式，縱、橫梁截面均采用矩形方鋼管，這樣既保證承載質(zhì)量，又有利于減輕車架重量。另外，在車架四周設(shè)計(jì)了護(hù)欄，其中，前邊、左邊和右邊護(hù)欄設(shè)計(jì)成伸縮式結(jié)構(gòu)形式，以容納體積較大的救援裝備。左右兩側(cè)護(hù)欄的伸縮通過改變卡銷的安裝位置來實(shí)現(xiàn)，前護(hù)欄伸縮先松開螺栓，然后滑動前護(hù)欄來進(jìn)行調(diào)整。除此之外，車架底部和車架后部還分別設(shè)計(jì)了與驅(qū)動輪、車扶手的連接板。

3）車扶手及輔助輪設(shè)計(jì)。車扶手及輔助輪的設(shè)計(jì)如圖9所示。車扶手以圓管為基本構(gòu)件，通過折彎成型，車扶手頂部作為操縱人員的操縱部位，并在右側(cè)車扶手頂部安裝油門把手，車扶手中間部位焊接連接板，連接板采用螺栓與車架的連接板相連。此外，連接板還可增加車扶手的強(qiáng)度。車扶手底部U字型接頭與輔助萬向輪通過兩個螺栓相連，擰下U字型接頭最下端的一顆螺栓后，萬向輪可向上旋轉(zhuǎn)一定角度，然后將萬向輪上的連接片與車架底部的連接底座連接，從而實(shí)現(xiàn)了后兩輪折疊，前驅(qū)動輪獨(dú)輪行駛。此時，車架底部U字型接頭還可用于支撐。

圖9 車扶手及輔助輪設(shè)計(jì)

圖10 驅(qū)動輪總成設(shè)計(jì)

4）驅(qū)動輪總成設(shè)計(jì)。驅(qū)動輪總成設(shè)計(jì)如圖10所示。驅(qū)動輪輪胎采用18X9.5-8寸全地形摩托車真空輪胎,鋁合金輪轂。具有重量輕，承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。車輪輪轂通過平鍵與驅(qū)動軸連接，輪軸兩端通過軸承座與車架的連接元件連接，車架支撐在驅(qū)動輪軸上。驅(qū)動輪軸一側(cè)端部安裝從動鏈輪。

圖11 小型手扶式運(yùn)輸車三維模型

將所設(shè)計(jì)的動力傳動系統(tǒng)、車架、車扶手及輔助輪、驅(qū)動輪總成4個模塊在SolidWorks軟件平臺中進(jìn)行裝配，最終得到應(yīng)急救援消防裝備運(yùn)輸車三維模型，如圖11所示。該小型運(yùn)輸車具有重量輕、可快速拆裝、行駛方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一種基于發(fā)動機(jī)后置前驅(qū)的應(yīng)急救援裝備小型手扶式運(yùn)輸車布置方案。2）根據(jù)預(yù)先制定的車輛性能指標(biāo)，對車輛動力傳動系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了匹配，并通過Matab語言編制計(jì)算程序?qū)\(yùn)輸車的動力性能計(jì)算，驗(yàn)證了參數(shù)匹配的合理性。3）運(yùn)用模塊化方法，將運(yùn)輸車分解成動力傳動系統(tǒng)、車架、車扶手及輔助輪和驅(qū)動輪四個模塊。對每個模塊進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終建立了應(yīng)急救援裝備小型手扶式運(yùn)輸車整車三維模型。該運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)開發(fā)為解決偏遠(yuǎn)地區(qū)復(fù)雜道路上應(yīng)急救援裝備運(yùn)輸問題提供了一種有效途徑。

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