煤礦蓄電池式電機(jī)車獨(dú)立駕駛室的優(yōu)化設(shè)計*

祁宏

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

近年來，煤礦蓄電池式電機(jī)車輛續(xù)航里程是決定整車性能的重要指標(biāo)之一，整車質(zhì)量是影響車能耗高低的重要指標(biāo)，因此電機(jī)車輛的駕駛室等結(jié)構(gòu)件的輕量化設(shè)計尤為重要[1]。

駕駛室作為駕駛?cè)藛T的操作空間，首先要求其結(jié)構(gòu)要可靠，以保證駕駛員的身體不受外界傷害；其次要保證駕駛員的視野必須開闊，操作舒適，空氣暢通，具有隔熱、減振及降噪功能；最后駕駛室的外形要美觀大方。因此，本文主要對駕駛室主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

1 駕駛室主體框架設(shè)計構(gòu)思

駕駛室作為車輛的操控中心，承擔(dān)著至關(guān)重要的作用。根據(jù)外觀設(shè)計、安全可靠性、整車輕量化、舒適性等方面綜合考慮，運(yùn)用Ansys軟件及人機(jī)工程學(xué)的知識，設(shè)計了一款能滿足煤礦蓄電池式電機(jī)車輛要求的獨(dú)立駕駛室。首先通過整車尺寸確定駕駛室的外形尺寸，運(yùn)用Solidworks軟件建立主體框架模型，駕駛室的設(shè)計參照客車車身的設(shè)計思路，采用冷拔異型矩形鋼管焊接搭建主體框架，其三維模型如圖1所示。選用鈑金面板，既能保證駕駛室的外形美觀，擋風(fēng)隔音，又能保證車輛在井下行駛的安全可靠性，還能減輕駕駛室的整體質(zhì)量。

圖1 駕駛室主體三維模型圖

2 駕駛室主體框架的有限元分析

為保證駕駛室的強(qiáng)度與剛度，使駕駛室能滿足整車設(shè)計的各種工況要求，針對各工況，對駕駛室的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，為結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化提供理論依據(jù)。根據(jù)駕駛室的使用工況[2-4]，進(jìn)行模擬分析。

2.1 加速度為0時駕駛室主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

該工況旨在模擬蓄電池式電機(jī)車輛在靜止或者井下水平硬化路面上勻速直線行駛時的駕駛室特性，車輛的加速度為0，駕駛室主體受到的外力只有重力(F=mg)，對其施加外力后的變形量及應(yīng)力分布如圖2、圖3所示。

圖2 加速度為0時駕駛室主體的變形量分布圖

經(jīng)計算分析可知，加速度為0的工況下駕駛室主體結(jié)構(gòu)變形量最大為0.469 3 mm，應(yīng)力最大為68.095 MPa。

2.2 緊急制動時駕駛室主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

該工況旨在模擬電機(jī)車輛在水平硬化路面上緊急制動時的駕駛室特性。設(shè)定車輛以最高車速為40 km/h運(yùn)行，緊急制動后車輪同時抱死，車輛縱向滑動，滑動距離取8 m，即車輛縱向的制動減速度為0.75 g。此時，駕駛室主體不光受重力作用，還受到縱向慣性力作用，對其施加外力后分析，變形量及應(yīng)力分布如圖4、圖5所示。

圖3 加速度為0時駕駛室主體的應(yīng)力分布圖

圖4 緊急制動時駕駛室主體的形變量分布圖

圖5 緊急制動時駕駛室主體的應(yīng)力分布圖

經(jīng)計算分析可知，緊急制動工況下駕駛室主體結(jié)構(gòu)最大變形量為0.625 mm，最大應(yīng)力為96.133 MPa。

2.3 急轉(zhuǎn)彎時駕駛室主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

該工況旨在模擬防爆蓄電池車在水平硬化路面上急轉(zhuǎn)彎時的駕駛室特性。設(shè)定車輛以20 km/h勻速運(yùn)行，轉(zhuǎn)彎半徑取最小轉(zhuǎn)彎半徑5 m，即車輛橫向的離心加速度為0.6 g。此時，駕駛室主體不光受重力作用，還受到離心力的作用，對其施加外力后分析，變形量及應(yīng)力分布如圖6、圖7所示。

圖6 急轉(zhuǎn)彎時駕駛室主體的變形量分布圖

圖7 急轉(zhuǎn)彎時駕駛室主體的應(yīng)力分布圖

經(jīng)分析可知， 急轉(zhuǎn)彎工況下駕駛室主體結(jié)構(gòu)最大變形量為1.633 mm，最大應(yīng)力為235.67 MPa，此工況下結(jié)構(gòu)件的變形量最大，應(yīng)力值最高，為駕駛室的極限工況。

2.4 駕駛室主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

通過有限元分析可知，車輛駕駛室局部結(jié)構(gòu)變形量小，強(qiáng)度低，對其優(yōu)化設(shè)計后，針對駕駛室極限工況進(jìn)計算分析，結(jié)果如圖8、圖9所示。取駕駛室在極限工況時最大應(yīng)力值為σmax=118.17 MPa，駕駛室結(jié)構(gòu)件材料選用Q345，即[σ]=345 MPa，2σmax<[σ]，其強(qiáng)度滿足設(shè)計的要求。

圖8 優(yōu)化后急轉(zhuǎn)彎時駕駛室主體的變形量分布圖

圖9 優(yōu)化后急轉(zhuǎn)彎時駕駛室主體的應(yīng)力分布圖

3 駕駛室人機(jī)界面設(shè)計

駕駛室操作舒適程度直接影響著駕駛員的工作效率以及駕駛安全性，在駕駛室內(nèi)部布置的設(shè)計中，主要操作部件參照適用于工程機(jī)械的人體尺寸進(jìn)行布置[5](圖10)，包括座椅位置、方向盤位置及角度、腳踏板位置及角度等，然后進(jìn)行校核。

mm人體尺寸百分位數(shù)p/%1510509095993.1坐高8368588709089479589193.2頸椎點(diǎn)高5995156246576917017193.3坐姿眼高7297497617988368478683.4坐姿肩高5395575665986316416593.5坐姿肘高2142282352632912963123.6坐姿大腿厚1031121161301461511603.7坐姿膝高4414564644935235325493.8小腿加足高3723833894134394484633.9坐深4074214294574864945103.10臂膝距4995155245545855956133.11下肢長8929219379921 0451 0631 096

圖10工程機(jī)械的人體尺寸圖及數(shù)據(jù)表

3.1 駕駛室主要部件安裝尺寸的確定

首先，根據(jù)整車功能及駕駛室外形尺寸確定駕駛室內(nèi)部的基本構(gòu)造，然后以人機(jī)工程學(xué)為參考，完成駕駛室人機(jī)界面設(shè)計[6]，如圖11所示。

圖11 駕駛室的基本布置圖

1) 座椅位置與腳踏板位置的確定。圖11中，設(shè)PRP與AHP的交點(diǎn)O(0,0,0)為坐標(biāo)原點(diǎn)，量取腳踏板長度為248 mm，L53=830 mm，根據(jù)工程機(jī)械舒適性尺寸H30參考值為372～463 mm，結(jié)合座椅尺寸，取H30=454 mm，根據(jù)A47=(77-0.08H30)，得到A47=40°，以此確定座椅位置與腳踏板位置。

2) 方向盤位置及角度的確定。以AHP為基準(zhǔn)，按p99男性舒適坐姿角度布置人體模型所給定的角度(如圖12所示)，確定方向盤的坐標(biāo)為(246，0，817)，傾角為42°。

圖12 p99男性舒適坐姿角度布置圖

3) 眼橢圓位置及尺寸的確定。根據(jù)SAE J941 V02推薦的眼橢圓計算公式：

Xcref=L1+664+0.587L6-0.176H30-12.5t

Zcref=H8+H30+638

式中：L1為PRP的x坐標(biāo)；L6為方向盤中心的x坐標(biāo)；H30為R點(diǎn)的y坐標(biāo)；H8為AHP的z坐標(biāo)；t為變速箱類型，有離合器時t取1，無離合器時t取0。

計算確定眼橢圓的中心坐標(biāo)為(928，0，1 240)，選取x軸長為242.1，y軸長為85.3 mm，根據(jù)眼橢圓位置確定儀表盤上顯示屏以及儀表的位置。

4) 儀表盤位置的確定。根據(jù)方向盤的位置以及儀表盤表面與方向盤的距離應(yīng)大于80 mm，駕駛?cè)说耐炔靠臻g通過對人體模型尺寸的分析，最終取方向盤距儀表盤表面的距離為200 mm，下端距底板的距離取549 mm。駕駛室內(nèi)部整體布置尺寸如圖13所示。

圖13 駕駛室內(nèi)部整體布置圖

3.2 駕駛室內(nèi)部布置的校核

對手伸及界面等駕駛室操作尺寸的影響因素，通常用駕駛室尺寸綜合因子G來表示，根據(jù)文獻(xiàn)[5]的計算公式為：

G=0.001 8Hz-0.019 7β+0.002 7D+0.010 6α-0.001 1Wx+0.002 4Wz+0.00 27γ-3.085 3

式中：Hx為H點(diǎn)(人體胯點(diǎn))至加速踏板踵點(diǎn)的水平距離，mm；Hz為H點(diǎn)至加速踏板踵點(diǎn)的垂直距離，mm；β為靠背角，(°)；α方向盤傾角，(°)；D為方向盤直徑，mm；Wx為方向盤中心至H點(diǎn)的水平距離，mm；Wz為方向盤中心至H點(diǎn)的垂直距離，mm；γ為臀部角，(°)。

1)由公式計算得：G=0.754。

2)在汽車的前后方向上，離加速踏板踵點(diǎn)后方水平距離為d處，有一表示手伸及距離的HR基準(zhǔn)面，確定HR面：d=786-99G=711.32 mm；d-Hx>0，基準(zhǔn)面HR面位于R點(diǎn)處[5]。

3)以R點(diǎn)為0點(diǎn)，測量各操作件的坐標(biāo)值。

4)比較操作件的坐標(biāo)值與坐姿活動空間(圖14)中的手伸及界面值，驗證所選取尺寸符合設(shè)計要求。

此外，在駕駛室的四周安裝擋風(fēng)玻璃，既能減小駕駛噪聲，又能為駕駛員安全提供第一道屏障，有效地降低了駕駛員在駕駛時所受到的外界干擾；在駕駛室與機(jī)架連接處還安裝膠皮，既能減輕駕駛室安裝座的局部應(yīng)力，又能保證駕駛室與機(jī)架連接的可靠性。

(a)(b)

圖14坐姿活動空間

4 結(jié)論

通過對煤礦蓄電池式電機(jī)車輛駕駛室的結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)度分析優(yōu)化設(shè)計以及舒適性設(shè)計，為后續(xù)駕駛室的設(shè)計提供參考依據(jù)。在保證強(qiáng)度的前提下，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計，在質(zhì)量方面比原始駕駛室質(zhì)量減輕25%左右；根據(jù)人體舒適尺寸優(yōu)化操作裝置，降低了駕駛員勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。

該方案已在山西天地煤機(jī)裝備有限公司生產(chǎn)的井下蓄電池式電機(jī)車輛上裝配使用，性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的效果。