一種電動清潔小車的設計及動力學分析

梁 豐

（河源職業技術學院，廣東 河源517000）

0 引言

大型商場、體育場館、商業步行街等公共場所每天都需要定時進行多次清潔維護。傳統的大型清掃車占地面積大，工作時會產生大量灰塵，同時清掃車的尾氣污染和噪聲污染也相對較大，很難在這些場所進行有效工作。目前，這些場所通常是由大量的保潔人員進行維護，不過，人工清潔維護效率低、成本高、工作強度大[1-3]。針對這種情況，本文提出了一種電動清潔小車，可以方便的對上述場所進行吸塵、灑水、清掃等工作。本文設計了電動清潔小車的虛擬樣機，對其主要零件進行了有限元分析，并研究了電動清潔小車的動力學性能。

1 電動清潔小車樣機的設計及分析

1.1 電動清潔小車的總體設計

為了使電動清潔小車在商場、體育場館、商業步行街等場所能靈活地前進、轉彎及工作，小車采用緊湊的三輪式車身設計，電動小車的設計參數如表1所示。整體設計如圖1.

表1 電動清潔小車參數

圖1 電動清潔小車總體圖

小車工作時，可以通過蓄電池供電，采用電機驅動方式，實現了低碳環保，降低了工人的勞動強度，提高了作業效率。非工作時段或者蓄電池電量不足時，人可以通過像騎自行車一樣來騎行，因此，小車也可以作為代步工具。

電動清潔小車主要由傳動機構、清掃機構、灑水吸塵機構、車體等組成。傳動機構采用齒輪鏈傳動，如圖2所示，通過直齒輪、錐齒輪相互嚙合實現了單一驅動源驅動多機構的功能，從而簡化了小車的傳動結構，減少了制造成本。清掃機構采用可折疊滾刷裝置，如圖3所示，錐齒輪驅動不完全空心臺階軸轉動，并通過丁字桿帶動鉸接臺階軸轉動，由卡槽帶動雙槽圓盤與拖把轉動，實現清掃的功能。在清潔作業時可以將滾刷落下，非作業時可以將其收起，從而實現小車既可清掃又可代步的功能。灑水吸塵機構由安裝在前方的吸塵裝置和灑水裝置組成，如圖4所示，吸塵器放在車輛后部，吸塵導管從車身的兩側引到掃刷機構前方的吸塵口，將清掃時的揚塵收集到吸塵器中，水箱放置在駕駛員座位的正下方，灑水管將水噴到拖把上，實現拖地功能。

圖2 傳動機構結構圖

圖3 清掃機構結構圖

圖4 灑水吸塵機構結構圖

1.2 電動清潔小車干涉檢查及應力分析

為了在零件加工前發現設計錯誤并檢驗設計的合理性，對虛擬樣機進行了干涉檢查。將模型添加約束和驅動以后，進入Inventor仿真環境進行干涉檢查，小車各機構可以按照設計要求進行運動，不存在干涉問題[4]。

完成電動清潔小車的干涉檢驗，并確定小車設計無原理性問題之后，通過有限元軟件對小車的主要薄弱環節，即傳動系統的主動軸和后從動軸進行應力分析，以確定其是否能滿足工作要求。Inventor的軟件具有強大的有限元分析模塊，可以直接進行有限元分析，從而避免由三維造型軟件導入有限元分析軟件時帶來的信息丟失[5]。

電動清潔小車工作時，施加在后從動軸上的阻力扭矩Mf為：

式中m為小車整體質量，g為重力加速度，f為靜摩擦系數，r為小車后輪半徑。

電機施加的驅動扭矩為M=7 N·m.經過分析，主動軸的應力分布如圖5所示，應力最大6.674 MPa，出現在軸中部并由軸向兩側逐漸減小，應力最大值小于材料的許用應力240 MPa，安全系數為36，因此，主動軸具有較大的安全余量。從動軸的應力分布如圖6所示，應力最大值為67.12 MPa，出現在軸中部并由軸向兩側逐漸減小，應力最大值小于材料的許用應力240 MPa，安全系數為3.5，因此，從動軸具有較大的安全余量。

圖5 主動軸應力分析圖

圖6 從動軸應力分析圖

2 電動清潔小車動力學仿真及分析

電動清潔小車在工作過程中的驅動力、阻力、速度、加速度等動力學參數是影響小車性能重要因素，下面采用ADAMS軟件對小車進行動力學仿真分析，模擬小車實際運行時的各種參數，為小車的驅動系統選擇、結構優化、續駛里程的提高等提供依據[6-7]。

2.1 模型簡化及約束添加

ADAMS是一種優秀的動力學分析軟件，可高效率、高精度地進行動力學的建模及仿真。將電動清潔小車三維模型導入到ADAMS軟件，利用布爾運算將整體模型進行簡化，最終合并為車體、輪胎、輪轂、前后軸、傳動齒輪。如果直接將ADAMS軟件的地上作為路面，則路面即變為地面的一部分，而地面的屬性不能被更改，從而無法準確模擬小車工作的環境。因此，本文在ADAMS中新建一個實體作為路面，并將其與地面用固定副連接，這樣就可以設置路面的材料、彈性模量等屬性。小車的車體、輪轂、主從動軸、和傳動軸分別采用鐵、鋁、普通碳素鋼、普通碳素鋼為材料。輪胎為橡膠材質，其密度為1 250 kg/m3.同時將水箱和吸塵裝置用更加直觀的載荷來替代，從而簡化模型，減少求解難度，加快求解速度。最后完成各個關節約束和輪子與地面接觸力的添加[8-9]。

2.2 電動清潔小車動力學建模

2.2 .1接觸力理論

在ADAMS中計算接觸力有兩種模型：沖擊函數模型和泊松模型。本文采用計算更快捷、參數設置更方便的沖擊函數模型進行分析。ADAMS沖擊模型的函數表達式為：

其中 k為兩物體的接觸剛度系數，s0為兩個接觸物體之間的初距離，s為兩物體接觸碰撞過程中的實際距離，cmax為最大接觸阻尼，h為兩碰撞物體之間的切入深度，e為兩物體之間的碰撞系數。而在輪胎與地面之間的接觸力仿真參數設置時，需要確定參數有剛度系數k、最大阻尼cmax、碰撞系數e、切入深度h，上述參數可根據小車的三維模型計算確定。

2.2 .2仿真參數的確定

剛度系數的確定：ADAMS剛度系數可以根據以下公式計算：

式中R1，R2分別表示兩接觸物體的曲率半徑，此處為地面與輪子接觸，地面可視為曲率半徑R→∞的圓柱體，上述參數也可根據小車的三維模型計算確定。

剛度系數計算的參數設置及結果如表2所示。

表2 剛度系數計算的參數設置及結果

阻尼系數cmax確定：阻尼系數是定義接觸物體之間接觸性質的一個量，表征了相互接觸物體之間的能量耗散，ADAMS中推薦值為剛度系數的0.1%～1%，本文根據小車的實際工況取0.1%[10]。

碰撞系數e的確定：輪胎與地面的碰撞系數取2.0.

切入深度h的確定：輪胎與地面接觸切入深度值設定為0.1 mm[11]。

2.3 電動清潔小車動力學分析

為了模擬小車在不同工況下的電機動力輸出情況，本文分別對空載、只載人、載人和水箱三種工作情況進行了仿真分析。為了防止仿真過程中出現突變，本文采用step()函數作為模擬小車以20 km/h的最大速度行駛時的驅動函數，即 step（time，0，0，2，20）+step（time，2，0，6，0）[12-13]。

最終得到了不同工況下電機輸出扭矩和功耗曲線圖，結果如圖7至圖12所示，不同工況下電機的輸出轉矩及功耗情況如表3所示。

圖7 空載時電機輸出扭矩

圖8 空載時電機輸出功率

圖9 載人時電機輸出扭矩

圖10 載人時電機輸出功率

圖11 載人和水箱時電機輸出扭矩

圖12 載人和水箱時電機輸出功率

表3 電機力矩及功率計算結果

由上述計算結果可知，隨著載荷的增加，電機的最大輸出扭矩和最大消耗功率也隨之增加，即在啟動階段需要電機提供更大的扭矩和功率。然后進入勻速階段之后，電機的平均輸出功率和功耗變化并不明顯。相反由于慣性，電機輸出扭矩和功耗反而會減小。

根據上述計算和小車整體結構，并綜合考慮爬坡、速度提升能力和能量轉換損耗等因素，最終選擇輸出電壓48 V，額定功率為500 W的某電機作為本車的驅動電機。電池選用某品牌輸出電壓48 V，容量36 Ah鎳氫蓄電池作為本車的電源。

3 結論

本文針對目前大型商場、體育場館等區域大量采用人工保潔的現狀，提出一種能高效保潔上述區域的電動清潔小車，研究了小車的系統組成及傳動系統結構，設計出小車的樣機，對樣機進行了干涉檢查及有限元分析，結果顯示小車結構設計合理。在ADAMS中建立了小車的動力學模型，對不同工況下的小車動力學性能進行了仿真分析，基于分析結果確定了小車在不同工況下的對驅動系統的要求，為驅動系統的設計及驅動元件的選型提供了依據。

本文應用虛擬樣機技術及相關分析軟件，進行結構設計、運動仿真、干涉檢查及有限元分析等工作，有效地縮短了產品設計周期，提高了設計的可靠性。