应急救援装备小型手扶式运输车动力传动系统参数匹配与结构设计

2018-05-23杜波王建华殷鹰胡园园陈娟毛丹

机械工程师 2018年5期

杜波，王建华，殷鹰，胡园园，陈娟，毛丹（

1.四川省特种设备检验研究院，成都610061;2.西华大学汽车与交通学院,成都610039;3.四川省消防总队眉山市消防支队,四川眉山 620020）

0 引言

近几年来，我国西部地区自然灾害频发，造成了惨重的人员伤亡以及巨大的经济损失。发生自然灾害的地区往往是一些地势复杂、交通欠发达的贫困偏远地区[1-2]。一旦主干道路受阻，大型救援专业设备将无法快速运抵灾区现场。此时，消防救援官兵只能以人力背运或担架搬运的方式携带一些应急救援装备，沿着一些狭窄的山间小路以徒步的方式挺进灾区。但长距离的负重步行会增加士兵负担、消耗体能，将严重影响到抢险救援的有效实施。因此，有必要开发一种能在复杂道路上（如：狭窄乡村小道、坑洼路面、陡长坡道等）辅助消防官兵运输应急救援装备小型运输工具。以减轻消防官兵的负担，节省体能，提高部队应急抢险救援的能力。

国外应急救援装备运输工具研发较早，如美国山猫机械公司开发的多功能小型滑移转向装载机体型小巧、重量轻、机动性强、结构坚固、适用条件广泛，该机装备了功能多样的救援工具，能在非公路、恶劣地形条件下展开各种运输、援助、挖掘等任务[3]。日本研制成功一种自动消防装备运输车，该车通过遥控自动行驶，可超近距离地停靠在火场，适用于危险环境下的消防任务[4]。总的来说，国外应急救援装备运输车朝着小型化、功能多样化、智能化方向发展。

国内一些汽摩企业先后成功开发了救援装备全地形四轮运输车、救援装备三轮摩托车等救援装备运输工具，具有体积小巧、机动灵活、易操作、适应性强等特点，可用于城市巷道、建筑物密集区域的抢险中救援装备运输的任务[5-7]。但在偏远地区十分狭窄的山间小道上难于完成运输救援装备的任务。同时，一些基层消防部队技术人员也在积极探索适用于偏远地区应急救援装备运输工具，如将独轮车（俗称“鸡公车”）改装成应急救援装备运输车，具有灵活、小巧的特点，适用于狭窄山间小道的运输任务，但由于采用人力驱动，对士兵体能消耗较大。

本文在对目前各种现有小型运输车进行对比分析的基础上，设计了一种基于发动机后置前驱的应急救援装备小型手扶式运输车布置方案。并对车辆动力传动系统参数进行了匹配。结合SolidWorks三维建模软件，对应急救援装备小型手扶式运输车的结构进行了详细设计。为解决偏远地区复杂道路上应急救援装备运输问题提供一种有效途径。

1 小型手扶式运输车总体布置方案

由于运输车需要在山区狭窄小道上行驶，车轮布置形式是关键。目前各种现有的小型运输车车轮布置方案有四轮式、正三轮式、倒三轮式、横向两轮式、纵向两轮式、独轮式6种类型，如图1所示。

图1 各种小型运输车车轮布置方案

四轮式运行平稳、转向轻便，但整备质量大、结构复杂。正三轮式、倒三轮式运行平稳、整备质量相对较轻、转向机构简单。横向两轮式平稳性较好、整备质量更轻，但转向性能较差，以上几种布置方案由于具有一定宽度的轮距，限制了其在山区狭窄小道上的使用。纵向两轮式通过性强、转向方便。独轮式灵活、通过性强。这两种布置方案适合于山区狭窄小道运输，但平衡性较差，需要人力来保持车辆平衡。

小型运输车驾驶员的操作形式有手扶式和方向盘操作两种形式。方向盘式比手扶式更省力，但由于运输车行驶的路况比较复杂，同时也为了操作人员的安全，手扶式更适合。

小型运输车驱动方式有发动机前置前驱、发动机后置后驱、发动机后置前驱等几种，发动机前置前驱使整车质心前移，并且不方便加油。发动机后置后驱使整车质心后移。发动机后置前驱整车质量分布均匀，并且加油、启动均方便。

综上所述，通过对现有小型运输车布置方案对比分析，将正三轮式和独轮式进行综合，本文设计了一种基于发动机后置前驱的应急救援装备小型手扶式运输车布置方案，如图2所示。

图2 小型手扶式运输车布置方案

该小型运输车以发动机为动力，前轮驱动，后两轮为万向轮，起辅助作用。该车采用三轮行驶时，运行平稳。在遇到狭窄的道路时，可将后两轮折叠，实现独轮驱动行驶。

2 小型手扶式运输车动力传动系统参数匹配

运输车性能在很大程度上取决于发动机与传动系的合理匹配，运输车的动力性能指标主要包括最高车速、最大爬坡度和加速时间[8]。本文设计的小型运输车动力性能目标参数如表1所示。

运输车动力传动系统参数匹配主要包括发动机与传动系速比参数计算，具体计算过程如下。

表1 整车动力性能指标

2.1 发动机峰值功率

1）以最高车速行驶时所需功率Pe1。

即车辆在良好水平路面上以最高车速umax直线运行时所需的最大功率，其计算公式如下：

式中：G为车辆整备质量;f为滚动阻力系数;A为车辆迎风面积;CD为空气阻力系数;ηt为传动系统的效率。

2）以最大爬坡度行驶时所需功率Pe2。

即车辆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。其计算公式如下：

式中：αmax为最大爬坡度；ua为车辆爬坡速度。

3）加速过程中所需功率Pe3。

即车辆原地起步加速过程中所需的最大功率，根据车辆行驶功率方程式，加速过程中所需功率为

车辆加速运行过程并非匀加速过程，公式（3）的速度不能直接用加速末了时刻的速度ut。可采用文献[9]中提供的公式进行计算：

式中：ut为车辆加速末了时刻的速度;tt为车辆的加速时间;δ为旋转质量换算系数。

运输车行驶过程中所需的动力全部来自发动机，因此，所需发动机功率应同时满足车辆运行过程最高车速、最大爬坡性能及最大加速性能所需的功率[10]。即发动机最大功率需满足：Pemax≥max（Pe1,Pe2,Pe3）。

将整车参数带入上式后，计算可得发动机最大功率为Pemax≥1.6 kW。根据市面上所提供的发动机类型，最终选择一款二冲程通用汽油机作为小型运输车动力源。其具体参数如表2所示。

表2 二冲程通用汽油机参数

2.2 传动系速比计算

运输车传动系参数设计的原则是在满足车辆动力性要求的同时，所选部件质量轻、体积小。为了满足车辆的动力性能，设置两个减速比，即最大传动比imax和最小传动比imin。

1）最大传动比imax。确定最大传动比时，需要考虑车辆最大爬坡度和车辆最低稳定车速的要求。根据发动机峰值转矩和车辆最大爬坡度，可得传动系最大传动比为

式中：r为车轮半径；Temax为发动机最大输出转矩。

根据最低稳定车速的要求可得传动系最大传动比为

式中：nmin为发动机怠速转速；umin为车辆最低稳定车速。

2）最小传动比imin。最小传动比的选择应该保证车辆能达到预先设计的最高车速。根据发动机最高转速和车辆的最高车速，可得传动系最小传动比为

式中：nemax为发动机的最高转速；umax为车辆最高车速。

将已知参数带入公式（5）～（7）后，可得，imin≤87.2；129.7≤imax≤135.7。初步选择运输车的最小传动比imin为85，最大传动比imax为133。

由于所计算的传动比较大，考虑到整车总体布置的方便，以及减轻变速器重量，将运输车的传动系统分为三级传动，第一级采用蜗杆蜗轮减速器，第二级为两挡变速器，第三级为链传动。传动系总的传动比可表示为

式中：iz为传动系总的传动比;ig为变速器速比;io为主减速器速比;ic为链传动速比。

根据所提供的蜗杆涡轮减速器类型，选择其速比io=50。根据链传动的常用范围，选择链传动的速比ic=1.385。从而，变速器一挡传动比ig1=1.92，二挡传动比ig2=1.26。

根据匹配的发动机和传动系参数以及整车参数，运用Matlab语言编制计算程序[11]，对运输车的动力性进行计算，结果如图3～图5所示。从图3～图5可知，运输车动力性能计算结果满足表1中的整车性能要求，说明发动机和传动系统的参数匹配设计是合理的。

图3 驱动力-行驶阻力图

图4 爬坡度图

图5 0～7 km/h加速时间曲线

3 小型手扶式运输车结构设计

由于要求设计的运输车具备拆装方便的功能。因此，运用模块化方法，将运输车分解成动力传动系统、车架、车扶手及辅助轮和驱动轮4个模块。下面结合SolidWorks软件[12]，对每个模块的结构设计进行详细阐述。

1）动力传动系统设计。小型运输车动力传动系统由发动机、蜗杆蜗轮主减速器、两挡变速器和链条链轮组成。动力传动系统中，除变速器之外，其余部件均为标准件，可在市场上购买。本文从减轻变速器质量、简化变速器结构、便于制造方面考虑，自主设计了两挡手动变速器，其换挡机构采用直齿滑动齿轮形式[13]。其配齿参数如表3所示。表中齿轮均采用标准直齿圆柱齿轮，齿顶高系数取1，顶隙系数取0.25。

齿轮材料选取20CrMnTi，采用渗碳淬火热处理。对齿轮接触和弯曲强度进行校核[14]，计算结果如表4所示。从表4中可以看出，I挡和II挡齿轮副的接触强度和弯曲强度均满足要求。

表3 齿轮参数

表4 齿轮强度计算

运用SolidWorks软件建立两挡滑齿式手动变速器的三维模型[15]，如图6所示。

图6 两挡直齿滑齿式手动变速器

设计的动力传动系统总成如图7所示。图7中，发动机输出轴与蜗杆蜗轮减速器的输入端连接，蜗杆蜗轮减速器的输出端连接变速器的输入轴。发动机壳体、蜗杆蜗轮减速器壳体和变速器壳体分别通过螺栓固连在连接板上，连接板与车架通过螺栓固结。主动链轮与变速器输出轴连接，通过链条将动力转递给从动链轮（见图10）。

图7 动力传动系统总成

图8 车架设计

2）车架设计。从整车轻量化角度开展车架设计，如图8所示。图8中车架采用边梁式结构形式，纵、横梁截面均采用矩形方钢管，这样既保证承载质量，又有利于减轻车架重量。另外，在车架四周设计了护栏，其中，前边、左边和右边护栏设计成伸缩式结构形式，以容纳体积较大的救援装备。左右两侧护栏的伸缩通过改变卡销的安装位置来实现，前护栏伸缩先松开螺栓，然后滑动前护栏来进行调整。除此之外，车架底部和车架后部还分别设计了与驱动轮、车扶手的连接板。

3）车扶手及辅助轮设计。车扶手及辅助轮的设计如图9所示。车扶手以圆管为基本构件，通过折弯成型，车扶手顶部作为操纵人员的操纵部位，并在右侧车扶手顶部安装油门把手，车扶手中间部位焊接连接板，连接板采用螺栓与车架的连接板相连。此外，连接板还可增加车扶手的强度。车扶手底部U字型接头与辅助万向轮通过两个螺栓相连，拧下U字型接头最下端的一颗螺栓后，万向轮可向上旋转一定角度，然后将万向轮上的连接片与车架底部的连接底座连接，从而实现了后两轮折叠，前驱动轮独轮行驶。此时，车架底部U字型接头还可用于支撑。

图9 车扶手及辅助轮设计

图10 驱动轮总成设计

4）驱动轮总成设计。驱动轮总成设计如图10所示。驱动轮轮胎采用18X9.5-8寸全地形摩托车真空轮胎,铝合金轮毂。具有重量轻，承载能力强的特点。车轮轮毂通过平键与驱动轴连接，轮轴两端通过轴承座与车架的连接元件连接，车架支撑在驱动轮轴上。驱动轮轴一侧端部安装从动链轮。

图11 小型手扶式运输车三维模型

将所设计的动力传动系统、车架、车扶手及辅助轮、驱动轮总成4个模块在SolidWorks软件平台中进行装配，最终得到应急救援消防装备运输车三维模型，如图11所示。该小型运输车具有重量轻、可快速拆装、行驶方式灵活等优点。

4 结论

1）设计了一种基于发动机后置前驱的应急救援装备小型手扶式运输车布置方案。2）根据预先制定的车辆性能指标，对车辆动力传动系统参数进行了匹配，并通过Matab语言编制计算程序对运输车的动力性能计算，验证了参数匹配的合理性。3）运用模块化方法，将运输车分解成动力传动系统、车架、车扶手及辅助轮和驱动轮四个模块。对每个模块进行了详细的结构设计，最终建立了应急救援装备小型手扶式运输车整车三维模型。该运输车的设计开发为解决偏远地区复杂道路上应急救援装备运输问题提供了一种有效途径。

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