果園自走式電動車輛車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉國強(qiáng) 邱緒云 宋裕民 李愛娟 尚冉琦

摘要：針對我國果園機(jī)械化水平較低、制約果樹產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題，本文設(shè)計(jì)了一款自走式果園作業(yè)車，使用純電動動力驅(qū)動，以提高果園生產(chǎn)效率。采用SolidWorks繪制三維模型，用ANSYS軟件對車架有限元分析及模態(tài)分析，保證車架具有足夠的強(qiáng)度以滿足設(shè)計(jì)要求;通過對果園的調(diào)查，結(jié)合果園種植特點(diǎn)設(shè)計(jì)車架，并設(shè)計(jì)各尺寸，車架設(shè)計(jì)結(jié)束后，對其進(jìn)行有限元分析以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的可行性。

關(guān)鍵詞：果園機(jī)械;車架;有限元

0? 引言

中國是世界上最大的農(nóng)業(yè)國，同時(shí)也是世界上果樹產(chǎn)業(yè)量位居前列的國家。首先，在果樹的種植面積方面位居世界前列;其次，我國培養(yǎng)的果樹種類繁多，而且所培養(yǎng)的果樹品種優(yōu)良;因此，我國生產(chǎn)的水果味道可口，種類多，深受各國人民歡迎。果園產(chǎn)業(yè)為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

在歐美這些發(fā)達(dá)國家，其果園產(chǎn)業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，雖然種植果樹面積沒有國內(nèi)種植面積大，但是他們這些發(fā)達(dá)國家的機(jī)械化水平較高，在果園產(chǎn)業(yè)方面投入的人力、物力等資源比起國內(nèi)少，在很多果園種植等方面大多采用機(jī)械化設(shè)備，從而代替人工。在果園產(chǎn)業(yè)中有很多環(huán)節(jié)人工操作和機(jī)械化操作結(jié)果有很大差異，機(jī)械化的設(shè)備操作不僅能使資源合理利用并且能發(fā)揮巨大作用，而且能夠減少資源浪費(fèi);同時(shí)在一些人工操作危險(xiǎn)的環(huán)節(jié)采用果園機(jī)械化設(shè)備代替人工，從而保證人身安全。因此，歐美等發(fā)達(dá)國家的果園產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)收益以及在安全方面比國內(nèi)要好。由于我國果園產(chǎn)業(yè)機(jī)械化水平較低，造成果園產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益比起發(fā)達(dá)國家較低，為了提高果園產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，必須提高果園機(jī)械化水平，為此我們要根據(jù)果樹種植的實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)適合果園生產(chǎn)并能夠提高生產(chǎn)效率的機(jī)械化設(shè)備，進(jìn)而縮短與發(fā)達(dá)國家的果園機(jī)械化差距，促使我國果園產(chǎn)業(yè)更快發(fā)展。

1? 自走式電動車架結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)及尺寸確定

1.1 確定作業(yè)車車架各部位截面尺寸

通過對果樹種植培養(yǎng)等過程的調(diào)查研究，根據(jù)果樹種植的分布情況。為使作業(yè)車有足夠的空間來完成各種工作，在此，將作業(yè)車車寬設(shè)計(jì)為2m，作業(yè)車高設(shè)計(jì)為2m，作業(yè)車總長設(shè)計(jì)為4m。作業(yè)車中間以兩根橫梁連接，側(cè)面以兩根梁連接，并設(shè)計(jì)兩個(gè)平臺以安裝電池和電機(jī)。本次設(shè)計(jì)的作業(yè)車是履帶式果園作業(yè)車。車架上方連接架長定為1.44m，左右兩側(cè)放置電池和電機(jī)的平臺寬度定為280mm。確定的車架各部分尺寸如表1所示。

1.2 車架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車架以電動機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動作業(yè)車工作。車架結(jié)構(gòu)為履帶式車架，梁在車架結(jié)構(gòu)中有四根，在車架結(jié)構(gòu)中縱梁同樣有四根橫梁。通過以上各參數(shù)的確定，從而車架各位置尺寸初步確定完成，通過SolidWorks軟件完成建模，模型簡化后如圖1所示。

1.3 車架部件力學(xué)計(jì)算

通過計(jì)算，車架體積V約為57.344×10-3m3，材料采用Q235，通過查閱相關(guān)資料，Q235的密度為7.85g/cm3=7.85×103kg/m3，則車架質(zhì)量約為m=ρV≈450kg，由于車架的動力由電池提供，驅(qū)動由電機(jī)驅(qū)動，此設(shè)計(jì)中電池采用六塊鉛酸電池，電池總質(zhì)量約為m電池=200kg，左右各有三塊鉛酸電池;電機(jī)有兩個(gè)分別安裝在作業(yè)車后輪左右兩側(cè)，電機(jī)質(zhì)量約為m電機(jī)=40kg，作業(yè)車載重為300kg，車架整備質(zhì)量約為750kg。

2? 主要參數(shù)計(jì)算與校核

2.1 作業(yè)車零部件及運(yùn)動基本參數(shù)

作業(yè)車行駛過程中的行駛車速及質(zhì)量：為了使作業(yè)車能有效工作，初步設(shè)定車速為3-6km/h，空載總質(zhì)量為750kg，載重質(zhì)量為300kg，作業(yè)車采用功率為1.5kW的永磁同步電機(jī)兩臺，由于作業(yè)車采用后輪驅(qū)動。因此，作業(yè)車兩側(cè)后輪安裝兩臺1.5kW的永磁同步電機(jī);電池采用12V、150A的六塊鉛酸電池，車輪半徑取0.5m。

2.2 作業(yè)車爬坡能力

爬坡能力：初步設(shè)定最大爬坡度不大于20°，作業(yè)車在爬坡過程中需要克服滾動阻力及重力沿坡度的分力;滾動阻力Ff=fGcos？琢，重力沿著坡度的分力Fi=Gsin？琢，最大牽引力必須克服滾動阻力及重力沿坡度的分力即：T？叟Fi+Ff。

2.3 作業(yè)車正常行駛時(shí)最大牽引力

作業(yè)車在水平路面勻速行駛時(shí)要克服路面對作業(yè)車的滾動阻力、空氣阻力，作業(yè)車加速時(shí)還要克服加速阻力;爬坡時(shí)要克服重力沿著坡道的分力，故作業(yè)車行駛過程中索要克服的總阻力為

2.4 作業(yè)車附著力理論校核

作業(yè)車在正常運(yùn)動和工作時(shí)，不僅要克服道路阻力及空氣阻力，而且其最大驅(qū)動力不大于附著力，如果最大驅(qū)動力超過附著力，作業(yè)車將會打滑。即：

3? 車架有限元分析

3.1 車架有限元分析模型

作業(yè)車車架長4000mm，寬2000mm，高2000mm。整個(gè)車架結(jié)構(gòu)由4根縱梁，4根橫梁，6根豎梁焊接成為一體，梁的截面為矩形截面，橫向電池和電機(jī)安放在寬為280mm的板件上。完成有限元三維分析模型的修剪后，將三維模型導(dǎo)入ANSYS workbench中。

之后進(jìn)行材料選擇，此次設(shè)計(jì)的車架的材料用Q235，Q235的彈性模量Ex為2.06×1011N/m2，泊松比為0.3，密度為7.850kg/m3，定義完材料后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，此次分析中網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)目為219639個(gè)，網(wǎng)格劃分完后如圖2所示。

3.2 車架有限元分析

作業(yè)車的工作工況大體分為以下幾種：作業(yè)車的彎曲靜態(tài)分析，作業(yè)車的扭轉(zhuǎn)工況分析和作業(yè)車的緊急轉(zhuǎn)彎工況分析。

3.2.1 作業(yè)車的彎曲變形分析

作業(yè)車彎曲工況是指作業(yè)車在果園滿載情況工作且作業(yè)車直線行駛時(shí)，分析其應(yīng)變與應(yīng)力的分布及其變形情況以及車架的抗彎強(qiáng)度。作業(yè)車彎曲工況中車架所受載荷主要是電機(jī)，電池等零部件以及車架所載重物對車架的作用。通過確定車架所受載荷及邊界條件處理，再進(jìn)行求解及結(jié)果分析，車架在各種靜載荷作用下的總變形如圖3所示。

從結(jié)果中可以看出總變形最大發(fā)生在圖3所示的深色區(qū)域位置，大小為7.8178mm。而變形最小的位置在下方車架位置，最小變形的變形量基本為0?？偟膩碚f變形較嚴(yán)重的位置主要在安裝載具的位置，但從變形大小來看，最大變形量也很小，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 車架扭轉(zhuǎn)工況分析

作業(yè)車在果園工作過程中，由于路面的凹凸不平導(dǎo)致作業(yè)車車架受力不均勻，從而受到地面對車架的扭矩，使車架變形，如果變形過大會破壞車架結(jié)構(gòu)。因此，必須對作業(yè)車進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況分析，確保在不平路面工作時(shí)車架具有足夠的強(qiáng)度。通過確定作用載荷及邊界條件處理，對有限元結(jié)果分析總變形結(jié)果如圖4所示。

從結(jié)果可得以下結(jié)論：由于此扭轉(zhuǎn)工況分析是對作業(yè)車左前部分的有限元分析，因此，總變形最大處發(fā)生在作業(yè)車左方位置，最大變形量為60.122mm?？傋冃巫畲蟀l(fā)生在圖4所示的深色區(qū)域，其中變形量較小，符合要求。

3.2.3 緊急轉(zhuǎn)彎工況

急轉(zhuǎn)彎工況是指作業(yè)車在工作過程中以一定車速轉(zhuǎn)彎，在離心力作用下，車架由于受到的作用力不均勻，使得車架會發(fā)生一定變形，并且產(chǎn)生一定應(yīng)力、應(yīng)變，從而破壞車架結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中對車架施加的向心加速度取值為0.2g，結(jié)果如圖5。

從分析結(jié)果可知：總變形最大為0.79112mm，等效應(yīng)變最大值為0.00034692，變形量很小。并且等效應(yīng)力最大值為43.887MPa，小于材料Q235的屈服強(qiáng)度235MPa，等效應(yīng)變值很小，從而可以斷定次設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

4? 車架模態(tài)分析

本設(shè)計(jì)中對車架進(jìn)行的模態(tài)分析是以靜力學(xué)、汽車震動控制理論及理論力學(xué)和材料力學(xué)為基礎(chǔ)，進(jìn)而求解多自由度車架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型。此次模態(tài)分析中車架的材料選用Q235，網(wǎng)格劃分采用系統(tǒng)自定義劃分，單元結(jié)構(gòu)采用三角形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。

4.1 載荷及邊界條件處理

將靜載荷添加到相應(yīng)位置，對車架的支撐方式采用固定支撐約束方式，在模態(tài)分析結(jié)果中只需要六階的模態(tài)分析結(jié)果，不用其他高階的模態(tài)分析結(jié)果，這是因?yàn)楦唠A振型疊加情況嚴(yán)重。另外一個(gè)原因是高階振型存在局部振動，影響分析結(jié)果。因此在此次模態(tài)分析中以前六階的振型來說明系統(tǒng)的固有特性。

4.2 模態(tài)分析結(jié)果

一至六階的模態(tài)分析結(jié)果如圖6。

通過模態(tài)分析得到前六階的固有頻率及其振型，模態(tài)分析結(jié)果中得到的振型大小并不能表示此振型為對應(yīng)頻率下的真實(shí)振動量的多少，它僅僅表示在此固有頻率下結(jié)構(gòu)振動幅值的相對比值和振動在傳遞過程中的傳遞情況。從結(jié)果中可以看出車架結(jié)構(gòu)在激勵(lì)作用下振動平緩，從而說明車架結(jié)構(gòu)受到振動的影響小，車架結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性較好。

從頻率來看（圖7），車架的振動頻率為：一階振動頻率是0Hz，二階振動頻率是0Hz，三階振動頻率為0Hz，四階振動頻率為3.0611×10-3Hz，五階振動頻率為5.4565×10-3Hz，六階振動頻率為6.0039×10-3Hz。而電機(jī)等零件的振動頻率恰好不在車架振動頻率范圍內(nèi)，因此作業(yè)車工作時(shí)，電機(jī)等零件的振動頻率不會與車架振動頻率疊加，因此不會產(chǎn)生共振。

5? 結(jié)論

①對自走式電動車輛車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)車輛的實(shí)際作業(yè)環(huán)境，最終確定車架的方案。再確定車架各部分的尺寸，最后通過SolidWorks軟件完成建模。②根據(jù)車輛的性能要求，對車輛的主要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與校核。③簡化有限元分析模型及劃分網(wǎng)絡(luò)后，對車架進(jìn)行有限元靜態(tài)分析。通過分析作業(yè)車的彎曲靜態(tài)分析、作業(yè)車的扭轉(zhuǎn)工況分析和作業(yè)車的緊急轉(zhuǎn)彎工況分析，驗(yàn)證車架符合設(shè)計(jì)要求。④對車架進(jìn)行模態(tài)分析，得出前六階的固有頻率。驗(yàn)證當(dāng)作業(yè)車工作時(shí)，電機(jī)等零件的振動頻率不會與車架振動頻率疊加，因此不會產(chǎn)生共振。

參考文獻(xiàn)：

[1]智淑亞，許牧天，李繼秋.基于ANSYS的車架有限元分析[J].金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，35（02）：1-5.

[2]劉文軍，油磊.基于ANSYS workbench的小車車架受力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（03）：30-33.

[3]候志偉.輪式果園作業(yè)平臺性能分析與仿真[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2016.

[4]任錦濤，李建軍，杜明軒.基于ANSYS的車架有限元模態(tài)分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（10）：141-142，162.

[5]林華文，祖江穎.基于ANSYS Workbench的某農(nóng)用三輪車車架分析[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2019（07）：108-109.

[6]趙林亭，邱緒云，梁健明.基于AVL CRUISE的果園自走式電動車輛動力傳動系統(tǒng)匹配研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（19）：29-32.