电动雪地摩托车的设计及性能分析

詹长书， 邓名威， 李 涵， 于乐乐， 赵 云

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

研究与设计

电动雪地摩托车的设计及性能分析

詹长书， 邓名威， 李 涵， 于乐乐， 赵 云

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

我国东北地区以冰雪为特色的旅游业发展迅速，但市面上的雪地车已不适应当前旅游业的发展。为了改善目前雪地燃油车的性能，提高其骑行的舒适性和安全性，降低排放污染，设计了额定载重量100 kg、平均行驶速度13 km/h、最大速度15 km/h、最大爬坡度为0.23的电动雪地摩托车。介绍了该雪地摩托车的车身结构、工作原理、电路设计及制动系统。实验结果表明，该款电动雪地摩托车具有结构简单、节能环保、低温下可稳定工作的特点，可广泛应用于冬季寒冷的室外环境。

雪地；电动摩托车；设计；性能

随着生活水平的提高，人们除了注重健康以外，也开始注重娱乐和环保，因此雪地娱乐活动开展得越来越广泛。为了振兴东北老工业基地，东北地区将大力发展以冰雪为特色的旅游业，因此对雪地娱乐设备的需求越来越大，尤其是2020年北京冬奥会的临近，国家加大了冰雪运动的推广力度，除了大力建设室外雪场外，还将建设室内冰雪场。然而，目前东北地区的各个雪场主要采用燃油驱动的设备作为娱乐项目的设备，其与电动雪地摩托车相比，燃油车排放的尾气不仅会对环境产生污染，而且燃油车使用过程中产生的温室气体还会使室内温度升高，不利于室内冰雪场馆的维护[1-2]。

1 电动雪地摩托车的结构设计

1.1 摩托车的整体结构

电动雪地摩托车的总体设计方案如图1所示，其主要由电器和机械两大部分组成。电器部分包括电机、电池、电动车控制器、手把控制装置、仪表及灯光等；机械部分包括雪地轮胎、脚刹、手刹、车架、转向板等。

图1 电动雪地摩托车总体设计方案1.雪地轮胎；2.电机；3.脚刹；4.手把控制装置；5.仪表及灯光；6.手刹；7.车架；8.前叉弹簧；9.转向板；10.电动车控制器；11.电池

1.2 摩托车的工作原理

图2所示为电动雪地摩托车的工作原理图，摩托车运行时转动手把将信号传递给电动车控制器来控制输入到电机的电压大小，并以此来控制电动机的转速，进而控制摩托车的速度。摩托车制动时制动装置通过电动车控制器将电机电路中断，同时将信号传递给倒顺装置，倒顺装置通过继电器使电动车控制器实现摩托车电机电路的反接，进而实现电动机对电池的充电。

图2 电动雪地摩托车的工作原理

1.3 摩托车电器部分

(1)电动车控制器：基于6管电动车控制器，兼顾电池及电机的实际使用情况进行综合分析，在充分考虑蓄电池、控制器、电机三者之间关系的情况下，将它们作为一个整体来研究，并设计出理想的电动车控制器[3]。

(2)电机：电机采用直流永磁同步电机，其具有结构简单，体积小、质量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点[4]。

(3)电池：采用12AH 48V晶盐电池，其具有以下技术特性：①循环次数≥800次；②比能量35～42 Wh/kg；③工作温度范围-40～+60℃，高温性能突出、低温性能卓越；④自放电率低，使用及维护成本低；⑤放电性能好，为深度放电，且无记忆效应；⑥应用领域广泛，可应用于电动汽车动力电池、电动自行车动力电池、汽车启动电池、UPS电源、储能电池等。

2 电动雪地摩托车整车动力性能计算

2.1 速度计算

摩托车行驶的动态平衡方程式为[5]：

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi

(1)式中：Ft为驱动力(N)；Ff为运动阻力(N)；Fw为空气阻力(N)；Fi为坡道阻力(N)；Fj为加速阻力(N)。

理想状态下电动雪地摩托车在平坦的路面上匀速行驶时，Fj和Fi可不考虑。这时的驱动力计算公式为：

Ft=Ff+Fw

(2)

滚动阻力为：

Ff1=G×f1

滑动阻力为：

Ff2=G×f2

式中：Ff1为轮胎与雪地路面之间的滚动摩擦力，f1为轮胎滚动摩擦阻力系数，见表1[6]；G为摩托车的总重(N)；Ff2为滑雪板与雪地路面的滑动摩擦力，f2为滑雪板滑动摩擦阻力系数，见表2。

表1 轮胎与地面的附着系数

路面类型滚动阻力系数泥泞路面0100～0250干砂0100～0300湿砂0060～0150结冰路面0015～0030雪地路面003～0050

表2 常见材料之间摩擦系数

材料摩擦副滚动阻力系数橡胶橡胶05(静)雪橇板雪006

根据空气动力学原理[7]，空气阻力可表示为：

(3)

式中：Cd为空气阻力系数，通常取0.7；Va为行驶速度(km/h)；A为迎风面积(m2)；d为空气密度(kg/m3)，见表3。

表3 空气密度

空气温度/℃干空气密度/kg·m-3-201396-151368-101342-51317012935127

本设计选用的是直径为12英寸的雪地轮胎，其半径约为0.15 m，因此该电动车的驱动力可表示为：

(4)

Te=Tm×i1×i2×ηt

(5)

式中：Tm为雪地电动摩托车的电机输出扭矩(N·m)；Te为传到驱动轮上的扭矩(N·m)；r为驱动轮半径(m)；i1为主减速比；i2为链传动比；ηt为机械传动效率。

根据所选用电机的扭矩特性[8]，不同工况下所需的扭矩和功率为行驶速度的函数，其取决于不同车速行驶时受到的阻力。由于所设计的电动雪地摩托车速度变化范围不大，可假设电机不同转速时功率不变， 这时则有公式：

(6)

(7)

(8)

式中：Pm为电机输出转矩(kW)；i1为主减速比，i1=4；i2为链传动比，i2=3；ηt为机械传动效率[9]，根据经验通常取0.97。则驱动力可表示为：

Ft=77.6Te
V=0.004 712 5×n(km/h)

式中：V为雪地电动摩托车车速(km/h)，电动雪地摩托车所选电机的负载转矩特性见表4。

表4 电机主要参数

额定功率/W额定电压/V额定转速/r·min-1额定扭矩/N·m最高转速/r·min-1350482650123500

代入相关数据，经计算可得该电动雪地摩托车的最高车速约为15.5 km/h，稳定车速为12.4 km/h。

由于电动雪地摩托车车速相对较低，因此行驶过程中可视Ff为定值，空气阻力可取平均值来代替，加速度也可近似为匀加速[10]，这时雪地电动摩托车的加速度可表示为：

(9)

式中：m为人和小车的总质量(kg)。将相关数据代入式(9)可得a加=0.618 9 m/s2；根据经验公式Vmax=V0+at，代入相关数据得加速时间为6.96 s。

2.2 爬坡能力计算[11]

有效功率为：

(10)

根据式(10)可推导出爬坡度i为：

(11)

将相关数据代入式(11)可得最大爬坡度i=23%。

2.3 制动性能计算[12]

Fxbmax=Fz1f

(12)

(13)

行驶过程中需要制动时[13]，摩托车不仅要受到车轮与地面之间的滚动摩擦力的作用[14]，还要受到滑雪板与地面之间的摩擦阻力作用。车轮在雪地上的峰值附着系数为0.2，滑动附着系数为0.15，滑雪板与雪面动摩擦系数见表2。根据车辆重心的分布特性，滑雪板和车轮各承受一半的载荷，将式(11)、式(12)联立可得制动减速度a为1.274 m/s2。

当雪地摩托车在最高车速15.5 km/h时进行制动，其制动时间和制动距离的计算公式为：

(14)

(15)

式中：V为雪地电动摩托车末速度(V=0)；V0为雪地电动摩托车初速度(km/h)；t制动为制动时间(s)；S制动为制动距离(m)。

根据式(14)、式(15)可计算出制动时间为3.38 s，制动距离为7.27 m。

2.4 续航能力计算

电池基本参数见表5。

表5 电池基本参数

参数数值蓄电池额定电压/V48蓄电池额定容量/A·h12蓄电池平均放电效率ηq08蓄电池组总容量Eb/kW·h057电机及其控制器效率ηmc09蓄电池质量/kg12

根据经验公式可计算出电动雪地摩托车的续航里程[15](按照蓄电池组总能量放出80%计算)，具体公式为：

(16)

式中：Eb为电池容量；ηt为机械传动效率；ηq为蓄电池平均放电效率；ηmc为电机及控制器效率；蓄电池组可放出总能量的90%。

将表5中的相关数据代入式(16)即可得出续航里程为28 250 m。

3 结束语

对电动雪地摩托车行驶的动力性、制动性及续航能力进行了计算，并设计出了摩托车的内部电路及车身结构。该设计的最大特点是采用了电动系统，通过电路的设计可使设备具有能量再回收功能，蓄电池在保证摩托车续航里程的同时也保证了雪地摩托车动力性能。与传统的机械设备相比，该设备更加节能环保；车身采用了中轴结构[16]，舍去了避振器，这在很大程度上也减轻了自身重量，制动方面增加了脚刹功能，大大提高了雪地摩托车的制动性能[17-20]；降低了产品的生产成本，而且维修保养更加方便。

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(责任编辑 张雅芳)

Design and Performance Analysis of Electric Snowmobile

ZHAN Chang-shu， DENG Ming-wei， LI Han， YU Le-le， ZHAO Yun

(College of Transportation，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

The tourism industry with ice and snow as the characteristics in Northeast China is developing rapidly.However，the snowmobiles available on the market are not suitable for the development of the current tourism industry.In order to improve the performance of current fuel-powered snow vehicles，their driving comfort and safety and reduce emission pollution，the electric snowmobiles with rated load-carrying capacity of 100 kg，average driving speed of 13 km/h，maximum speed of 15 km/h and the maximum gradability of 0.23 are designed.The vehicle body structure，working principle，circuit design and brake system of the snowmobile are introduced.the experimental result shows that the snowmobile features a simple structure，energy conservation，environmental protection and stable operation at low temperature and can be extensively used in the outdoor environment in cold winter.

snowfield；electric motorcycle；design；performance

2017-04-02

东北林业大学大学生创新型项目(201610225002)

詹长书(1970-)，男，吉林洮南人，东北林业大学副教授，博士，主要从事载运工具运用工程的创新研究， E-mail：zhchsh3@sohu.com。

G872

A

2095-2953(2017)09-0035-04