电动行李牵引车车架设计与优化

赵宇 王祖文

摘 要：新时期，随着我国能源结构改革和电动车电池技术的日趋成熟，以电力为驱动动力的电动车辆正逐步地应用于机场专用车辆中。行李牵引车是机场专用车辆中的一种同时也是极为重要的一种，其主要用于机场与飞机之间的行李摆渡牵引。在采用电力作为行李牵引车的驱动动力时，由于其与传统燃油车辆的不同需要对行李牵引车的车架进行重新设计。车架主要用于承担车辆自身以及安装在车辆上的动力系统以及其他附件的装置，同时在车架的设计中还需要确保车架能够承担起车辆在行驶的过程中由于各类复杂工况所引起的复杂的载荷。与传统的以燃油为动力的行李牵引车车架不同的是以电力为动力的行李牵引车的车架在承载力以及配载方式及结构上有着较大的差异。文章在分析电动行李牵引车车架承载载荷的基础上对某一型号的电动行李牵引车车架的设计进行了分析阐述。

关键词：电动行李牵引车；车架；设计

中图分类号：U469 文献标志码：A 文章编号：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

行李牽引车是机场使用活跃度极高的一种机坪设备。现今的电动行李牵引车在设计中主要面临着牵引动力小及爬坡度较低两个方面的问题。因此需要对电动行李牵引车的车架进行重新设计与调整应以提高电动行李牵引车的使用性能。

1 电动行李牵引车运行过程中动力参数的选取

电动行李牵引车是以电力为驱动动力的机场专用车辆。为做好电动行李牵引车车架设计首先需要对电动行李牵引车的各项动力参数进行确定。某一型号电动行李牵引车在设计的过程中结合电动行李牵引车的实际运行情况规定电动行李牵引车所需要的最大牵引力为42kN，牵引拖车数量在5±1节的区间范围内，单节拖车的净重为5t左右，规定电动行李牵引车能够以30km/h的最高时速在机场停机坪上行驶，电动行李牵引车最大爬坡角为25°，最大爬坡速度为5km/h，电动行李牵引车单日续航里程为150km。

1.1 电动行李牵引车自身重量的计算

电动行李牵引车自身重量是电动行李牵引车车架设计的基础。为做好电动行李牵引车车架设计首先需要对电动行李牵引车自身重量进行计算。根据电动行李牵引车的相关牵引理论以牵引力为基础来计算电动行李牵引车的自身重量。

PT=φG-fG

φ为附着系数，PT为牵引力，f为滚动阻力系数

通过上述公式可以看出牵引力与电动行李牵引车自身的重量呈正比，从而可以计算出电动行李牵引车自身的重量约为6300kg。

1.2 电动行李牵引车电机参数

为保障电动行李牵引车具有良好动力性，结合电动行李牵引车的动力性能合理的选择电动行李牵引车所使用电机的功率，用以确保电动行李牵引车所使用电机的质量和体积等能够良好的满足电动行李牵引车的使用所需。通过综合考虑电动行李牵引车的最高车速、爬坡性能以及加速瞬时功率等各项参数。对于电机转矩的选取要确保其能够大于电动行李牵引车自身的启动转矩，同时综合考虑电动行李牵引车的最大爬坡角和传动系数的最大传动比来进行确定。通过综合计算后选取额定功率为36kW，额定转速为1500r/min的电机。电动行李牵引车采用四电机驱动模式。

1.3 电动行李牵引车动力电池组的选取

为保障电动行李牵引车具有良好的动力，选用性价比较高的铅酸电池为电动行李牵引车的驱动电池。电池组由于重量较重是在电动行李牵引车车架设计中需要优先考虑的部分，将电动行李牵引车的电池组分为两部分分别放置于前、后轮之间，驾驶室位于两者之间，这一布局方式有助于提高电动行李牵引车车架的载荷平衡并增加电动行李牵引车车轮的附着摩擦力。

2 电动行李牵引车车架设计与建模分析

2.1 电动行李牵引车初步设计与建模分析

按照公路车辆的尺寸规定，在某型号电动行李牵引车车架的设计中结合传统燃油牵引车车架来进行电动行李牵引车车架的设计。结合电动行李牵引车的动力驱动方式、车辆的悬挂以及车辆自身重量与电池组配重的载荷分布。选用4mm的矩形钢管作为电动行李牵引车车架的材料。由于电动行李牵引车在工作的过程中需要承受巨大的牵引拉力，在电动行李牵引车车架的结构上采用三主纵、六横副的车辆分布模式，并在电动行李牵引车车架的尾部采用斜拉梁形式使得牵引力在电动行李牵引车车架上分布均衡。前轮电机布设于轮胎上，在电动行李牵引车车架设计时需要设计成拱形以便于轮胎与车架的连接，电动行李牵引车后轮的驱动电机放置于电动行李牵引车车架上。结合电动行李牵引车电池组的布设特点，前后两部分电池组的重量将分别落于第二、三和第四、五根横梁上。对于电动行李牵引车上应力集中的部分应当加设加强筋用以强化车架的强度。在完成了电动行李牵引车车架的主体设计后将初步设计方案通过电脑建模用以分析车架的强度情况。

2.2 电动行李牵引车车架的静态弯曲工况建模分析

弯曲工况主要用于模拟电动行李牵引车车架在电动行李牵引车自身满载情况下静结构强度及刚度，模拟计算电动行李牵引车车架在平整路面下匀速行驶工况下或是静止状态下车架的弯曲变形和应力分布。通过模拟计算数据显示，电动行李牵引车车架的应力主要集中在前轮拱形结构处，在牵引力的作用下电动行李牵引车前轮车架拱形处上端将会产生应力集中约为270MPa，应力小于螺栓屈服应力，满足使用要求。

2.3 电动行李牵引车车架扭转工况建模分析

电动行李牵引车主要用于平坦的机场停机坪上的牵引运输，发生扭转的情况极少。扭转工况主要用于分析电动行李牵引车车架在一轮悬空或是抬起的极端工况下的应力分布情况。电动行李牵引车车架在扭转工况下是电动行李牵引车行驶过程中一种极端工况，通过对这一工况下电动行李牵引车车架的应力分布情况进行建模分析，发现扭转工况下电动行李牵引车车架的应力集中主要分布于右前轮轮罩及尾部位置，这两处在扭转工况下会产生最大的车架变形，电动行李牵引车车架的其他部分受到的影响较小。相较于静态弯曲工况扭转工况条件下电动行李牵引车车架螺栓所受到的应力约为330MPa，接近螺栓的材料屈服极限。

2.4 电动行李牵引车车架在制动工况下的应力分析

车辆制动是电动行李牵引车在行驶过程中不可避免的。尤其是在一些突发状况下电动行李牵引车所产生的制动力十分巨大。电动行李牵引车所承受的制动力与电动行李牵引车行驶时的速度、自身的重量有着密切的联系，在电动行李牵引车制动工况下电动行李牵引车车架所受到的作用力除了有与弯曲工况相同的载荷外还要承受附加的加速度惯性力的作用。通过对电动行李牵引车车架制动工况进行建模分析，电动行李牵引车车架在满载情况下所产生的制动力将会造成电动行李牵引车车架约3mm左右的制动变形，其中制动载荷主要集中在电动行李牵引车车架的前轮中部，电动行李牵引车车架剩余部分在制动工况下所承受的应力与弯曲静力工况下相同。通过模拟计算使用4mm的钢管作为车架用材能够满足使用要求。

2.5 电动行李牵引车车架在转弯工况下的应力分析

在电动行李牵引车转弯行驶工况下，电动行李牵引车车架将承受车辆载荷偏移作用力的影响。偏移载荷的大小与电动行李牵引车转弯行驶的侧向加速度相关。同时电动行李牵引车在转弯时牵引车将于拖车之间产生一个角度进而引起牵引力的变化。为避免电动行李牵引车发生侧翻应当将转弯速度控制在20km/h以内，以这一数据来对电动行李牵引车车架在转弯时所承受的应力进行建模分析后发现，电动行李牵引车车架转弯工况下的最大变形量能够达到约3mm左右且变形应力能够达到265MPa，在车架变形允许的范围内。

2.6 电动行李牵引车车架结构优化

从电动行李牵引车车架整体模拟后的情况来看，电动行李牵引车车架整体结构的变形量处于可控的范围内，电动行李牵引车车架整体变形量最大处发生于电动行李牵引车车架的前轮位置，这是由于电动行李牵引车车架的初始设计中前轮采用的是拱形结构，应力的集中所产生的较大的变形量和应力将影响电动行李牵引车车架前轮拱形结构的稳定性。因此需要对电动行李牵引车车架前轮拱形结构处进行結构优化，将前轮车架的拱形结构改为前桥来安装电动行李牵引车的前轮，将前轮固定位置改到整体车架上，通过对电动行李牵引车车架进行结构优化使得电动行李牵引车车架在转弯工况下的前轮的应力集中得以消除，经过模拟计算优化后的电动行李牵引车车架的变形量仅为0.5mm，远远小于优化之前的3mm，且应力也减小了约100MPa，从而使得电动行李牵引车车架的整体强度大为加强，不但电动行李牵引车车架的结构形式更加简单且能够满足电动行李牵引车的使用需求。

3 结束语

由于电动行李牵引车与传统燃油车动力结构的不同需要对电动行李牵引车车架进行重新设计，本文在分析电动行李牵引车特点的基础上，对某一型号电动行李牵引车的动力参数进行了模拟设计，并通过数学建模用以分析使用4mm钢管所构建的电动行李牵引车车架的结构的强度和刚度。通过模拟计算分析对电动行李牵引车车架的初步设计进行分析和优化，以确保电动行李牵引车车架能够满足使用需求。

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