低地板防爆無軌膠輪車底盤設(shè)計(jì)及ADAMS仿真

廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 福建 漳州 363105 王健嶺

無軌膠輪車的整車形式目前主要分為兩種：鉸接式、整體式。鉸接式車型受限于車體結(jié)構(gòu)，制造成本偏高，質(zhì)量偏大。整體式車身的無軌膠輪車因?yàn)椴捎昧说孛尕涍\(yùn)車輛的底盤形式，所以在整車質(zhì)量、傳動(dòng)效率等方面都存在一定優(yōu)勢(shì)。但是地面貨運(yùn)車輛底盤在煤礦井下應(yīng)用也存在著諸多不適用性：需要后期改制濕式制動(dòng)器——改變了原有車橋的受力結(jié)構(gòu)；車橋中部的“橋包”（集成了主減速器及差速器）直徑偏大，離地間隙勉強(qiáng)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，但是也占用了很大的高度方向空間尺寸。

從改變車橋結(jié)構(gòu)入手，為煤礦無軌膠輪車設(shè)計(jì)一種不壓縮離地間隙、集成濕式制動(dòng)器的低地板底盤，降低車架上平面高度，實(shí)現(xiàn)較大的載荷布局空間，對(duì)于人車（人員運(yùn)輸車）可以提高車廂內(nèi)有效空間高度，對(duì)于料車（物料運(yùn)輸車）可以降低車廂地板高度，裝卸物料更加便捷。

目前，關(guān)于膠輪車底盤的研究，更多的集中在鉸接式車型的鉸接機(jī)構(gòu)上[1-4]、制動(dòng)系統(tǒng)[5-6]、整車的動(dòng)態(tài)分析[7-12]及懸掛技術(shù)的研究[13]。關(guān)于低車身用的底盤系統(tǒng)，目前的研究成果還很少。

地面客車為了提高車內(nèi)空間，尤其是中間通道的高度，采用了一種低地板底盤設(shè)計(jì)——車橋設(shè)計(jì)成“凹”型，車橋中部凹陷下去，并且縮小橋包尺寸，為客車內(nèi)中部過道提高空間[14-15]。參考地面客車的這種結(jié)構(gòu)，結(jié)合無軌膠輪車的實(shí)際工況，設(shè)計(jì)一種低地板無軌膠輪車底盤。

1 車橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以煤礦上應(yīng)用的整體式3噸料車及20座人車為研究對(duì)象，模擬設(shè)計(jì)計(jì)算一種8噸低地板底盤。凹型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋作為前橋，載荷3噸；凹型驅(qū)動(dòng)橋作為后橋，載荷5噸；采用直通型車架。

1.1 凹型驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)

反門式車橋設(shè)計(jì)的要點(diǎn)有兩方面——“小橋包”、“凹結(jié)構(gòu)”。

a.減小中間橋包直徑尺寸，實(shí)現(xiàn)“小橋包”，可以通過減小主減速結(jié)構(gòu)中的大齒輪齒數(shù)，并通過錯(cuò)開差速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)尺寸的進(jìn)一步縮小。可以實(shí)現(xiàn)降低高度80mm左右。如圖1所示。

圖1 小橋包車橋主減速器及差速機(jī)構(gòu)

通過增加輪邊平行軸減速裝置，彌補(bǔ)隨主減速大齒輪減小而縮小的減速比。普通車橋主減速器減速比在6左右，而小橋包結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)3左右的減速比，輪邊平行軸減速比實(shí)現(xiàn)2左右，即可達(dá)到原來的速比值。

輪邊平行軸減速裝置，實(shí)現(xiàn)凹型結(jié)構(gòu)并集成濕式制動(dòng)器。通過調(diào)配齒數(shù)及模數(shù)、校核齒輪強(qiáng)度及軸承壽命計(jì)算，結(jié)合輪轂內(nèi)圈尺寸，可以實(shí)現(xiàn)2左右的減速比。濕式制動(dòng)器采用成熟的多片式濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，控制策略采用實(shí)效安全型——彈簧給摩擦片施加壓力制動(dòng)、制動(dòng)閥輸出壓力油解除制動(dòng)。

通過平行軸結(jié)構(gòu)最終可以降低空間高度尺寸160mm左右。方案圖如圖2所示。

圖2 反門式車橋輪邊平行軸減速機(jī)構(gòu)

通過以上兩方面的設(shè)計(jì)，最終可以降低車橋高度240mm左右。如圖3中所示，虛線輪廓為普通車橋外輪廓，車橋上部空間增加的尺寸占原車橋橋包直徑的50%以上，并且最小離地間隙并沒有減小。

圖3 組裝圖

1.2 凹型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計(jì)

用于前橋的是凹型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋，主減速器、差速器及輪邊減速器都可以采用跟后橋一樣的結(jié)構(gòu)，需要再增加一套轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并且同時(shí)驅(qū)動(dòng)力的傳遞還要經(jīng)過轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。所以，凹型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋的設(shè)計(jì)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：傳動(dòng)軸的萬向節(jié)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向鉸接設(shè)計(jì)。

傳動(dòng)軸的萬向節(jié)設(shè)計(jì)采用汽車傳動(dòng)中比較成熟的雙聯(lián)式萬向節(jié)。該形式的萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以保證等速傳動(dòng)的前提下實(shí)現(xiàn)較大的夾角（一般可以達(dá)到50°）。經(jīng)過空間結(jié)構(gòu)尺寸及強(qiáng)度校核，形成如圖4所示結(jié)構(gòu)圖。

圖4 雙聯(lián)式萬向節(jié)

轉(zhuǎn)向鉸接的設(shè)計(jì)：為了保證車輛直線行駛的穩(wěn)定性、操縱輕便性以及減少輪胎和機(jī)件的磨損，需要將前輪和轉(zhuǎn)向主銷安裝在前軸上，并保持一定的相對(duì)位置。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是萬向節(jié)主銷后傾、萬向節(jié)主銷內(nèi)傾、前輪外傾和前輪前束等四個(gè)方面。車輛相關(guān)設(shè)計(jì)資料已經(jīng)比較詳實(shí)的進(jìn)行陳述了相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不再贅述。形成圖5轉(zhuǎn)向鉸接結(jié)構(gòu)。

圖5 雙聯(lián)式萬向節(jié)

最終實(shí)現(xiàn)了跟后橋一樣高度空間尺寸的前橋——反門式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋。進(jìn)行圖6立體建模.

圖6 前橋建模

2 底盤仿真及應(yīng)力分析

2.1 動(dòng)態(tài)仿真分析規(guī)劃

通過使用ADAMS進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，導(dǎo)入模型并根據(jù)連接及傳動(dòng)形式對(duì)各部分進(jìn)行約束，設(shè)定運(yùn)行速度為20km/h，并選擇代表性路面參數(shù)建立路面模型，模擬反門式車橋攜帶規(guī)定載荷以設(shè)定速度勻速通過路面模型。分析車橋各部分連接點(diǎn)以及載荷對(duì)橋殼、車架造成的動(dòng)載荷，獲得時(shí)間與激勵(lì)關(guān)系曲線，并通在表格中列出峰值載荷。

2.2 多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

動(dòng)態(tài)仿真分析需要先構(gòu)建反門式車橋的多體動(dòng)力學(xué)模型[16-17]，主要有：反門式車橋（前、后橋）、減震模塊、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、主車架、限位拉桿、模擬載荷及路面模型等。通過在Solidworks中建立車橋、車架等部件的模型，再將其導(dǎo)入到ADAMS中，并根據(jù)連接方式及傳動(dòng)特性對(duì)各部件進(jìn)行約束。模型如圖7所示。

圖7 整體建模

路面模型的建立：實(shí)驗(yàn)選擇具有代表性的顛簸路面。預(yù)制跨度1800mm、幅度200mm的凹型、凸型、弧形路面，間隔10m，并分成雙側(cè)車輪同時(shí)經(jīng)過、單側(cè)車輪經(jīng)過兩種工況，加載質(zhì)量至額定載荷7t，開始進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

表 仿真數(shù)據(jù)表

對(duì)反門式車橋與與減震簧、避震器、拉桿、輪胎等各連接件的受力分析得到：車橋與減震簧、避震器、輪胎的作用力方向主要是z向——即垂直地面的方向，與斜拉桿的力主要沿拉桿方向變動(dòng)（減震形式不同的車輛，受力特點(diǎn)不同）——與拉桿間的力最大值集中出現(xiàn)在拉桿初始角度。通過這些受力方向、并結(jié)合測(cè)得最大峰值力，可以簡(jiǎn)化下一步車架、車橋殼體進(jìn)行受力分析。

2.3 峰值載荷下車橋的應(yīng)力分析

通過ADAMS的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反門式車橋在車輛單側(cè)車輪通過凹型路面時(shí)所受到的動(dòng)態(tài)載荷最大，能達(dá)到靜態(tài)載荷的4倍左右。所以，需要針對(duì)這個(gè)工況下車橋、車架的受力情況進(jìn)行強(qiáng)度校核，能夠體現(xiàn)出比較接近實(shí)際使用工況的模擬分析，得到的數(shù)據(jù)也比較有參考價(jià)值。

在Solidworks模型基礎(chǔ)上，通過Simulation模塊進(jìn)行分析（圖8）。最后分析得到應(yīng)力分布圖、變形位移圖及安全系數(shù)圖（圖9）。

圖8 網(wǎng)格效果

圖9受力分析結(jié)果圖

3 . 結(jié)語(yǔ)

摘要：為了降低無軌膠輪車車身高度、增大車內(nèi)有效空間，提出了一種可實(shí)現(xiàn)四驅(qū)的集成濕式制動(dòng)器的低地板底盤，并對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減震、穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。基于ADAMS、Solidworks及Simulation進(jìn)行了底盤及路面仿真建模及動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了該類型車橋及底盤的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法，為無軌膠輪車車橋及底盤的研究及優(yōu)化提供了一種新方法。

通過凹型車橋的設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)了集成濕式制動(dòng)器的凹型驅(qū)動(dòng)橋、凹型驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向橋整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，為四驅(qū)型整體式無軌膠輪車提供了降低車高、提高內(nèi)部空間的方案，并得出以下結(jié)論：

（1）通過采用凹型車橋，可以在不減少離地間隙的情況下，將車橋上部空間增加原車橋橋包直徑的50%以上。

（2）根據(jù)峰值力對(duì)這種凹型車橋進(jìn)行的受力分析結(jié)果表明，該類型強(qiáng)度安全系數(shù)處于合理范圍內(nèi)，局部應(yīng)力集中可以通過局部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)來解決。

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)思路和仿真分析方法，可以開展系列該類型車橋的設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)研究。