便攜式可折疊電動三輪車結構設計與性能分析*

趙傳強,韓 昆

(浙江機電職業技術學院 智能制造學院,浙江 杭州 310053)

0 引 言

隨著經濟的發展,一些大中城市的人口也越來越多,交通也隨之變得更加擁堵,因此,人們越來越提倡綠色低碳出行[1-3]。

電動自行車逐漸成為人們短途出行的重要交通工具[4]。目前,市場以載人為主的電動車主要分為兩輪和三輪兩種。但兩者都存在體積過大的問題,均不方便攜帶,只能在住處周邊使用,也無法將其放到汽車后備箱內攜帶。

很多學者對折疊機構設計及輕量化等問題進行了研究分析。

蔣曼昱[5]分析了折疊自行車的發展前景,提出了其設計趨勢,但并沒有提出自己設計的折疊機構。蔣連瓊等人[6]對折疊機構的整體結構和折疊方式進行了改進設計,主要針對四處進行了折疊,但因其折疊部位較多,在折疊時費時費力,其強度得不到保證。聞霞等人[7]設計了一款新型無鏈折疊式自行車,并對傳動原理及折疊方式進行了闡述,但其折疊后占用空間依然很大。鄧援超等人[8-9]設計了一款可折疊的電動三輪自行車,并對折疊機架進行了強度分析和輕量化設計,但其使用的連桿件較多,折疊后體積也較大。

目前,市場上可折疊、方便攜帶的電動三輪車很少,現有可折疊的車型在折疊時多為擠壓堆放式折疊,折疊后的體積依然很大,且桿件過多,質量也比較重。專家學者對這方面的研究也較少。

為解決上述問題,筆者設計出一款便攜式可折疊的電動三輪車。為了驗證其性能,首先,對其進行操縱穩定性分析,得到最小轉彎半徑和極限側向加速度;其次,對其進行運動學分析和整車強度分析,對其折疊機構合理性和強度性能進行驗證;最后,對其樣車試制,并進行載人試驗。

1 整車設計

1.1 結構組成

筆者設計的折疊電動三輪車的使用對象不僅包括成年人,而且也包含行動不便的老年人;此外該車還要滿足一定的續航能力,這就要求該電動車要具有質量輕、體積小的特征。

因此,綜合目前市場上現有的三輪車和兩輪折疊電動車的特點,筆者設計出一款便攜式可折疊的電動三輪車,樣車如圖1所示。

圖1 電動三輪折疊自行車

該車主要由“X”型折疊車架、前輪8″36 V/250 W輪轂電機、36 V/20 Ah鋰電池、可折疊扶手、可折疊車座、靠背、兩個8″后輪以及一些輔件組成。

1.2 設計特點

1.2.1 輕量化

在材質使用上,該電動三輪車除電池、輪轂電機、橡膠件、塑膠件和螺栓等附件外,其扶手、車架均采用鋁合金材質制造,并經過熱處理工藝,整車重量只有18 kg,在實現輕量化的同時,該車也滿足了強度要求。

在結構設計上,筆者參考兩輪自行車的車架形式,采用單管梁設計,有別于目前市場上常用的雙管梁式設計,這樣可以使結構形式簡單,整車重量降低,實現結構輕量化。

該電動三輪車折疊車架如圖2所示。

圖2 扶手和車架

1.2.2 小型化

在折疊時,筆者不采用兩輪自行車的“L”型折疊結構設計,而是采用“X”型關節設計,可使車架下方兩根管梁重合,實現折疊后所占空間最小化。

兩塊長條型電池安裝在如圖1所示車座下面,充分利用座下空間,電池之間間距大于車架使用梁的寬度,使折疊后的管梁可以卡入左、右兩塊電池之間,進一步實現折疊后所占空間最小化。

2 操縱穩定性分析

車輛的操縱穩定性分析是指在駕駛者不感到過分緊張和疲勞的情況下,車輛能遵循駕駛者通過轉向系及轉向輪給定的方向行駛,當遭遇外界干擾時,車輛能抵抗干擾而保持穩定行駛的能力[10，11]。

根據研究車輛的不同,操穩分析研究的內容也有所不同,主要取決于車輛的結構類型,如車輪布置和行駛條件以及行駛速度。筆者設計的電動車是一款低速的電動三輪車,主要考慮其曲線行駛時的通過性和轉彎時的側向穩定性,因此該車的轉彎半徑和側傾性能是主要的研究內容[12]。

2.1 轉彎半徑計算

最小轉彎半徑是指當電動車前輪轉到極限位置時,前輪中心的軌跡圓半徑。轉彎半徑在很大程度上代表了車輛能夠通過狹窄彎曲地帶或繞開不可越過障礙物的能力。轉彎半徑越小,機動性能和通過性能就越好[13]。

基于阿克曼轉向原理可得該自行車的轉角幾何如圖3所示。

圖3 阿克曼轉向幾何

由圖3可知,假設3個車輪在純滾動,該電動車在極限轉彎時,前輪軌跡圓心O在后軸延長線上,并繞O點做圓周運動,根據幾何學知識求解方程如下式所示:

(1)

式中:R—轉彎半徑;α—前輪轉角;L—前輪接地點到后軸的距離。

由于電動車前輪轉向時接地點的變化距離遠小于前、后軸距,即L≈L軸距=800 mm。由式(1)可知當α為90°時,sinα值最大為1,即得Rmin=800 mm,目前市場上的電動車三輪車轉彎半徑在1 200 mm以下,因此筆者設計的轉彎半徑滿足使用要求。

2.2 側傾角計算

車輛在轉彎行駛時,會受到側向力的作用,發生傾斜。隨著側向力的增大,彎道內側車輪上的載荷逐漸轉移到外側,當地面對內側車輪的支持力為零時,車輛處于臨界側翻狀態,此時車身的傾斜角即為側傾角。側傾角越大,抗側傾能力越強,車輛極限轉彎能力就越強。

筆者設計的電動三輪車沒有彈性懸架,車身通過剛性軸和車輪連接,忽略輪胎變形對整車的影響,整車可簡化為“剛性車輛”[14,15]。

以車輛穩態轉向時臨界側翻狀態為研究對象,該車側傾模型如圖4所示。

圖4 車輛側傾模型

當車輛達到穩定狀態時,所受合力為0,根據力矩平衡原理[16]求得方程如下式所示:

(2)

式中:h—質心高度;B—后輪輪距;F—內側輪支持力。

臨界側翻時F=0,代入式(2)可得:

(3)

該設計中后輪輪距B=442 mm,質心高度h=708 mm,計算可得該款電動車的最大側向加速度amax=0.3 g。

3 運動學分析

車架是電動車的核心結構部件,其自身特性決定了該電動車的折疊效果。因此,筆者在ADAMS軟件中對車架進行了仿真,通過運動學分析得到了關鍵部位的運動軌跡和最終狀態,驗證了車架設計的合理性。

3.1 模型簡化

該電動三輪車中車架是主要的支撐部件,其運動狀態決定了整個車的折疊方式和效果,其余部件如車輪、車扶手等為輔助機構,對車架的折疊功能不產生影響;又因車后輪支撐部件和前輪扶手部件體積較大且為剛性體,部件上各考察點的運動方式相同,對車架折疊不產生影響。

為減小模型計算量,故筆者對其進行裁剪,簡化后的車架裝配模型如圖5所示。

圖5 車架裝配簡圖

3.2 約束及載荷定義

筆者將簡化的模型導入到ADAMS中,對其添加約束、轉動副和驅動載荷。該車架在折疊過程中是一個緩慢運動,可設為準靜態的分析類型,故驅動載荷選用角位移驅動較為合適。

為了使仿真結果更接近真實突出極限限位效果,筆者在產生折疊運動的桿件之間施加接觸力,接觸類型選擇solid-to-solid碰撞形式,接觸剛度系數設為1.2E+5 N/mm,其余參數均按照系統缺省值即可滿足要求[17]。該分析不考慮重力加速度的影響。

綜合考慮所有的影響因素后,筆者建立的運動學模型如圖6所示(該模型為車架運動學分析的起始狀態)。

圖6 運動學模型

3.3 運動學仿真

分析模型建立后,筆者在驅動關節處施加角速度載荷20 r/min,設置分析時間3 s,分析步長為0.1 s,在接觸力的作用下,機構運動到極限位置會停下來。

以前輪扶手部件平行度和傾斜角為研究對象,筆者分別對車架折疊和展開的兩種狀態進行求解,分析結果如下。

車架折疊狀態如圖7所示。

圖7 車架折疊狀態

圖7中:車架前后處于極限折疊狀態,此時該車架不僅滿足折疊功能,而且前輪扶手部件與地面約成90°夾角,垂直地面,此時下方兩個桿件重合,保證了該自行車折疊后的所占空間最小,滿足設計要求。

車架展開狀態如圖8所示。

圖8 車架展開狀態

圖8中:車架前后處于極限展開狀態,該車架不僅滿足展開功能,而且此時前輪扶手部件與地面成約68°夾角,符合人機工程學設計要求。

由軌跡曲線可知:機構運動流暢,不存在卡死現象,說明該機構設計合理。

4 整車強度分析

4.1 幾何模型簡化

筆者所述電動車主要由車架、銷軸、車輪、輪轂電機和車座等零部件組成,為了滿足制造和裝配工藝要求,在設計時添加了一些工藝特征如:圓角、定位孔等,這些工藝特征對其整體強度影響很小。

筆者根據圣維南原理[18],對這些零部件和特征進行了簡化,最終建立的幾何模型如圖9所示。

圖9 幾何模型

4.2 分析模型建立

筆者在HYPERMESH中建立了整車的分析模型,為了便于計算,在保證分析精度的前提下,筆者對分析模型做了如下簡化:

(1)車輪中心點與車架采用RBE2單元連接;

(2)人體重量為75 kg,質心高度距離車座約200 mm,用RBE3方式連接;

(3)所有連接部位,用BRE2單元實現,并按實際情況釋放自由度;

(4)折疊桿件端部用GAP單元連接,模擬接觸受力;

(5)焊縫特殊處理,此處應力標準取0.86倍屈服強度。

(6)整車采用6061-T4鋁合金材料,材料屈服強度為135 MPa,彈性模量E=6.9E4 MPa。

整車的分析模型如圖10所示。

圖10 分析模型

電動車在使用的過程中,主要有3個強度工況,分別為垂向工況、極限轉彎工況和急剎車工況[19]。

參考企業電動車分析規范可得強度分析的載荷和約束條件,整車強度工況如表1所示。

表1 整車強度工況

4.3 強度分析計算

在有限元軟件中,筆者對上述中的3種工況進行分析,分析結果如圖11所示。

圖11 強度分析結果

圖11中:在3種工況下,最大應力出現在焊縫處,其值為55.26 MPa,小于目標值(0.86*屈服強度),滿足設計要求。

5 試驗驗證

根據設計結構工程圖,筆者對其進行樣車制作。由于車架和扶手均采用鋁合金材料,且采用了焊接工藝,因此在制作后,需對其進行爐內保溫時效處理來消除焊接應力,保證車架強度。最后,按照裝配工藝完成樣車組裝,利用樣車進行載人試驗,驗證其性能。

5.1 折疊試驗

筆者使樣車處于展開狀態,固定后輪,用手提起車架中間“X”型關節處,使關節部位向上移動,此時前輪向后移動,當下方兩個管梁重合時,此時折疊到了極限位置,這時折疊的管梁整體卡入兩塊電池之間,至此完成折疊。

折疊過程如圖12所示。

圖12 折疊過程

圖12中:折疊后的樣車所占空間最小,整車折疊過程也是連續的,不存在卡死現象,與文中運動學分析的結果一致,說明車架設計是合理的。

5.2 強度試驗

保證電池滿電狀態,使樣車處于展開狀態,筆者分別對其進行3種工況下的試驗。

測試條件如下:(1)載荷條件:選擇體重為76 kg的人;(2)路面條件:平整的柏油路;(3)測試方法:在不同工況下,選擇不同速度進行多次重復試驗。

試驗過程情況如圖13所示。

圖13 載人試驗過程

強度試驗結束后,筆者利用滲透法和百分表對車架強度分析中最大應力處的裂紋和變形進行檢測,結果如圖14所示。

圖14 試驗結果分析

圖14中,其表面沒有出現裂紋情況(如有裂紋,會出現紅色的條紋);百分表檢測安裝位置兩側的平行度為0.12 mm,符合設計要求;說明整車強度滿足設計要求。

6 結束語

基于便攜化、輕量化的設計目標,結合兩輪折疊電動車的優點,筆者設計出了一款結構簡簡單、質量輕的折疊電動三輪車,整車使用鋁合金材質制造,同體積下比鋼制輕約2/3。

筆者采用理論計算和虛擬仿真的方法,對其進行了性能分析,然后根據設計工程圖進行了樣車試制,并對其進行了載人試驗。

研究結果如下:

(1)整車最小轉彎半徑為800 mm,極限側向加速度為0.3 g,滿足使用要求;

(2)折疊機構運動流暢無卡死現象,且結構設計滿足自行車人機工程學要求;

(3)整車在3種極限工況下,最大應力為55.26 MPa,滿足強度要求;

(4)該車不僅滿足折疊要求,可實現折疊后所占空間最小化、便攜化、輕量化的設計目標,并且整車滿足強度要求。

針對電動三輪自行車的轉彎半徑的研究,筆者對前輪接地點的變化采用了科學假設。

在后續的研究中,筆者將建立前輪接地的幾何模型,開展轉彎過程中的前輪接地點的變化相關研究,以進一步提高研究的準確性。