低地板防爆無軌膠輪車底盤設計及ADAMS仿真

廈門大學嘉庚學院 機電工程學院 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構，制造成本偏高，質量偏大。整體式車身的無軌膠輪車因為采用了地面貨運車輛的底盤形式，所以在整車質量、傳動效率等方面都存在一定優(yōu)勢。但是地面貨運車輛底盤在煤礦井下應用也存在著諸多不適用性：需要后期改制濕式制動器——改變了原有車橋的受力結構；車橋中部的“橋包”（集成了主減速器及差速器）直徑偏大，離地間隙勉強達到國家標準要求，但是也占用了很大的高度方向空間尺寸。

從改變車橋結構入手，為煤礦無軌膠輪車設計一種不壓縮離地間隙、集成濕式制動器的低地板底盤，降低車架上平面高度，實現(xiàn)較大的載荷布局空間，對于人車（人員運輸車）可以提高車廂內有效空間高度，對于料車（物料運輸車）可以降低車廂地板高度，裝卸物料更加便捷。

目前，關于膠輪車底盤的研究，更多的集中在鉸接式車型的鉸接機構上[1-4]、制動系統(tǒng)[5-6]、整車的動態(tài)分析[7-12]及懸掛技術的研究[13]。關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空間，尤其是中間通道的高度，采用了一種低地板底盤設計——車橋設計成“凹”型，車橋中部凹陷下去，并且縮小橋包尺寸，為客車內中部過道提高空間[14-15]。參考地面客車的這種結構，結合無軌膠輪車的實際工況，設計一種低地板無軌膠輪車底盤。

1 車橋結構設計

以煤礦上應用的整體式3噸料車及20座人車為研究對象，模擬設計計算一種8噸低地板底盤。凹型驅動轉向橋作為前橋，載荷3噸；凹型驅動橋作為后橋，載荷5噸；采用直通型車架。

1.1 凹型驅動橋的設計

反門式車橋設計的要點有兩方面——“小橋包”、“凹結構”。

a.減小中間橋包直徑尺寸，實現(xiàn)“小橋包”，可以通過減小主減速結構中的大齒輪齒數(shù)，并通過錯開差速機構實現(xiàn)尺寸的進一步縮小。可以實現(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構

通過增加輪邊平行軸減速裝置，彌補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，而小橋包結構可以實現(xiàn)3左右的減速比，輪邊平行軸減速比實現(xiàn)2左右，即可達到原來的速比值。

輪邊平行軸減速裝置，實現(xiàn)凹型結構并集成濕式制動器。通過調配齒數(shù)及模數(shù)、校核齒輪強度及軸承壽命計算，結合輪轂內圈尺寸，可以實現(xiàn)2左右的減速比。濕式制動器采用成熟的多片式濕式制動器結構，控制策略采用實效安全型——彈簧給摩擦片施加壓力制動、制動閥輸出壓力油解除制動。

通過平行軸結構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構

通過以上兩方面的設計，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 凹型驅動轉向橋的設計

用于前橋的是凹型驅動轉向橋，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構，需要再增加一套轉向機構，并且同時驅動力的傳遞還要經(jīng)過轉向機構。所以，凹型驅動轉向橋的設計有兩個關鍵點：傳動軸的萬向節(jié)設計、轉向鉸接設計。

傳動軸的萬向節(jié)設計采用汽車傳動中比較成熟的雙聯(lián)式萬向節(jié)。該形式的萬向節(jié)的結構特點可以保證等速傳動的前提下實現(xiàn)較大的夾角（一般可以達到50°）。經(jīng)過空間結構尺寸及強度校核，形成如圖4所示結構圖。

圖4 雙聯(lián)式萬向節(jié)

轉向鉸接的設計：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件的磨損，需要將前輪和轉向主銷安裝在前軸上，并保持一定的相對位置。主要設計內容是萬向節(jié)主銷后傾、萬向節(jié)主銷內傾、前輪外傾和前輪前束等四個方面。車輛相關設計資料已經(jīng)比較詳實的進行陳述了相關的設計標準，不再贅述。形成圖5轉向鉸接結構。

圖5 雙聯(lián)式萬向節(jié)

最終實現(xiàn)了跟后橋一樣高度空間尺寸的前橋——反門式驅動轉向橋。進行圖6立體建模.

圖6 前橋建模

2 底盤仿真及應力分析

2.1 動態(tài)仿真分析規(guī)劃

通過使用ADAMS進行動態(tài)仿真分析，導入模型并根據(jù)連接及傳動形式對各部分進行約束，設定運行速度為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)定載荷以設定速度勻速通過路面模型。分析車橋各部分連接點以及載荷對橋殼、車架造成的動載荷，獲得時間與激勵關系曲線，并通在表格中列出峰值載荷。

2.2 多體動力學模型的建立

動態(tài)仿真分析需要先構建反門式車橋的多體動力學模型[16-17]，主要有：反門式車橋（前、后橋）、減震模塊、轉向機構、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，再將其導入到ADAMS中，并根據(jù)連接方式及傳動特性對各部件進行約束。模型如圖7所示。

圖7 整體建模

路面模型的建立：實驗選擇具有代表性的顛簸路面。預制跨度1800mm、幅度200mm的凹型、凸型、弧形路面，間隔10m，并分成雙側車輪同時經(jīng)過、單側車輪經(jīng)過兩種工況，加載質量至額定載荷7t，開始進行仿真實驗。

表 仿真數(shù)據(jù)表

對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（減震形式不同的車輛，受力特點不同）——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、并結合測得最大峰值力，可以簡化下一步車架、車橋殼體進行受力分析。

2.3 峰值載荷下車橋的應力分析

通過ADAMS的動力學仿真結果發(fā)現(xiàn)，反門式車橋在車輛單側車輪通過凹型路面時所受到的動態(tài)載荷最大，能達到靜態(tài)載荷的4倍左右。所以，需要針對這個工況下車橋、車架的受力情況進行強度校核，能夠體現(xiàn)出比較接近實際使用工況的模擬分析，得到的數(shù)據(jù)也比較有參考價值。

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

圖8 網(wǎng)格效果

圖9受力分析結果圖

3 . 結語

摘要：為了降低無軌膠輪車車身高度、增大車內有效空間，提出了一種可實現(xiàn)四驅的集成濕式制動器的低地板底盤，并對結構強度、減震、穩(wěn)定性進行了研究?；贏DAMS、Solidworks及Simulation進行了底盤及路面仿真建模及動力學仿真分析，得到了該類型車橋及底盤的設計參數(shù)計算方法，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。

通過凹型車橋的設計研究，實現(xiàn)了集成濕式制動器的凹型驅動橋、凹型驅動轉向橋整體結構布局設計，為四驅型整體式無軌膠輪車提供了降低車高、提高內部空間的方案，并得出以下結論：

（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)峰值力對這種凹型車橋進行的受力分析結果表明，該類型強度安全系數(shù)處于合理范圍內，局部應力集中可以通過局部優(yōu)化結構來解決。

（3）根據(jù)設計思路和仿真分析方法，可以開展系列該類型車橋的設計和優(yōu)化改進研究。