一種小型三輪電動車后懸掛新型結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真

饒道龔，楊三龍，李廣平，楊利利，李乾，王維鏑

（浙江大學(xué)臺州研究院，浙江 臺州 318000）

0 引言

由于我國道路交通環(huán)境的特殊性，在道路交通參與者中，存在著數(shù)量龐大的電動兩輪車、小型電動三輪車。電動車在方便人們出行的同時，速度快、質(zhì)量大、種類繁多的兩輪、三輪電動小型車輛的駕駛的舒適性和安全性也引起了社會的重視[1]。市場上電動車后懸掛設(shè)備種類少，尤其是小型三輪電動車后懸掛結(jié)構(gòu)單一，減振效果差?，F(xiàn)有的電動車后橋雙擺臂機構(gòu)存在著結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、使用壽命短、安全性不高的缺陷，市場對電動車后懸掛新型機構(gòu)的需求迫在眉睫。

考慮到三輪電動車的舒適性和安全性，浙江大學(xué)臺州研究院研發(fā)了一套三輪電動車后懸掛結(jié)構(gòu)，使用該后懸掛的三輪電動車具有承載力適中、道路適應(yīng)力強、轉(zhuǎn)向平穩(wěn)并能夠保證3個車輪始終接觸地面、行駛更加平穩(wěn)等優(yōu)點。

同時該小型三輪電動車后懸掛新型結(jié)構(gòu)還能帶動三輪電動車行業(yè)的同步發(fā)展及產(chǎn)品升級。

1 電動車后懸掛整體結(jié)構(gòu)及工作原理

該三輪電動車后橋雙擺臂懸掛機構(gòu)的2個擺動臂可在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用下相對于后橋橋架上下偏擺，保證2個后車輪的軸完全平行，保證三輪電動車的3個車輪始終接觸地面，增加了輪胎的接地總面積，提供平穩(wěn)、舒適、安全的駕乘體驗，行駛更為安全。

1.1 整體機構(gòu)組成

研發(fā)了一種三輪電動車后懸掛結(jié)構(gòu)，屬于機械運動技術(shù)領(lǐng)域。該三輪電動車后懸掛擺動結(jié)構(gòu)主要包括旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、擺動機構(gòu)和緩沖器機構(gòu)。通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和擺動機構(gòu)之間的配合與相互作用來達到其運動要求。該結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)固、安全省力等優(yōu)點。

通過SolidWorks建立后懸掛結(jié)構(gòu)三維模型，如圖1所示。

圖1 后懸掛結(jié)構(gòu)三維模型

后懸掛結(jié)構(gòu)詳細(xì)結(jié)構(gòu)及部件組成如圖2所示。

圖2 后懸掛結(jié)構(gòu)組成

1.2 后懸掛機構(gòu)工作原理

該后懸掛機構(gòu)包括后橋橋架、對稱設(shè)置在后橋橋架兩側(cè)的2個擺動臂，2個擺動臂上分別安裝有后車輪；后橋橋架上設(shè)有臺階軸，各擺動臂可旋轉(zhuǎn)地套設(shè)于臺階軸上；后橋橋架與2個擺動臂之間安裝有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，當(dāng)三輪電動車轉(zhuǎn)彎時，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)使2個擺動臂相對于后橋橋架偏擺，其中一個擺動臂相對于后橋橋架繞臺階軸向上運動，另一個擺動臂相對于后橋橋架繞臺階軸向下運動。本結(jié)構(gòu)2個擺動臂可在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用下相對于后橋橋架上下偏擺，從而保證2個后車輪的軸完全平行，保證三輪電動車的3個車輪始終接觸地面，增加了輪胎的接地總面積，提供平穩(wěn)、舒適、安全的駕乘體驗。

2 后懸掛結(jié)構(gòu)載荷計算

當(dāng)三輪電動車后輪一側(cè)行駛在顛簸路面或凹坑處時，2個擺臂會上下擺動，2個后車輪極限相差高度為125 mm。此時易出現(xiàn)單側(cè)受力的極限情況，本文以此工況為研究對象，如圖3所示，計算出后懸掛結(jié)構(gòu)擺動臂所受載荷。

圖3 極限行駛工況

靜力學(xué)的求解必須先在三維空間里面建立坐標(biāo)系[2]，以左側(cè)輪胎中心為原點，建立坐標(biāo)系為{0}，極限工況假設(shè)左側(cè)后輪胎單獨受力，負(fù)載通過緩沖器對后懸掛結(jié)構(gòu)加載，受力分析如圖4所示。

圖4 左側(cè)后輪胎單獨受力分析

以后懸掛結(jié)構(gòu)為研究對象，進行載荷計算。

根據(jù)車體負(fù)載及擺動力臂，計算出后懸掛結(jié)構(gòu)所受的彎矩：

式中：F為人和車體質(zhì)量，取300 kg；L為減振器中心到連接鉸點的距離，為80 mm。

由于減振器的水平安裝夾角為θ，對后懸掛產(chǎn)生2個方向的彎矩：

式中：θ為減振器的水平安裝夾角，75°。

單側(cè)輪胎受力工況下，后懸掛結(jié)構(gòu)載荷計算結(jié)果如表1所示。

表1 后懸掛結(jié)構(gòu)載荷計算結(jié)果

3 靜力學(xué)分析及優(yōu)化

有限元法是將整體結(jié)構(gòu)劃分成有限個規(guī)則的網(wǎng)格，通過對每個網(wǎng)格的求解從而近似得到整體結(jié)構(gòu)的解。在有限元法中利用靜力學(xué)對機器人關(guān)鍵零部件進行結(jié)構(gòu)分析，即關(guān)鍵零部件在方向和大小不變的載荷作用下承受的應(yīng)力和應(yīng)變，從而達到對零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進的目的[3-4]。

該后懸掛結(jié)構(gòu)采用普通碳鋼Q235，材料性能如表2所示。

表2 后懸掛結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)[5]

對后懸掛結(jié)構(gòu)模型進行靜力學(xué)分析。將在SolidWorks中建立的懸掛模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件中。Workbench利用ANSYS計算內(nèi)核，具有裝配體自動分析、自動網(wǎng)格劃分等參數(shù)優(yōu)化工具，為設(shè)計者提供了極大的便利[8]。

3.1 擺動臂靜力學(xué)分析

將后懸掛輪胎和緩沖器及連接螺栓墊片簡化掉，將簡化后懸掛結(jié)構(gòu)幾何模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件中，對其進行網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

按照第2節(jié)計算的載荷，對整個后懸掛結(jié)構(gòu)施加2個方向的彎矩。對有限元模型進行加載、求解，查看其位移及應(yīng)力結(jié)果云圖，如圖5所示。后懸掛結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿結(jié)果如表3所示。

圖5 第4關(guān)節(jié)分析結(jié)果

圖5 后懸掛結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

表3 后懸掛結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真結(jié)果

Q235材料許用應(yīng)力為

式中：σs為材料屈服強度，Q235材料屈服強度為235 MPa；n為安全系數(shù)（n=1.5～2.5），n取2。

Q235材料許用應(yīng)力為117 MPa，后懸掛結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在擺臂軸孔處，應(yīng)力值為90.76 MPa，未超過許用應(yīng)力，滿足強度和剛度要求。

4 結(jié)論

通過本文研究，考慮到三輪電動車行駛的安全性和舒適性，開發(fā)設(shè)計了一套三輪電動車后懸掛新型結(jié)構(gòu)，具體總結(jié)如下：

1）詳細(xì)介紹了小型三輪電動車后懸掛機構(gòu)及工作原理。后懸掛結(jié)構(gòu)2個擺動臂可在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的作用下相對于后橋橋架上下偏擺，從而保證2個后車輪的軸完全平行，保證電動三輪車的3個車輪始終接觸地面。

2）電動車行駛在顛簸的路況上，單側(cè)輪胎受力的情況下，對后懸掛結(jié)構(gòu)進行彎矩載荷分析和計算。

3）對后懸掛新型結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)分析，驗證其設(shè)計的結(jié)構(gòu)強度和剛度均滿足正常使用要求，驗證了本設(shè)計結(jié)構(gòu)的可行性。

同時，本文也為三輪電動車后懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真分析提供了參考依據(jù)。