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[5-6]、整車的動態分析[7-12]及懸掛技術的研究[13]。關于低車身用的底盤系統，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“小橋包”，可以通過減小主減速結構中的大齒輪齒數，并通過錯開差速機構實現尺寸的進一步縮小?？梢詫崿F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3左右的減速比，輪邊平行軸減速比實現2左右，即可達到原來的速比值。

輪邊平行軸減速裝置，實現凹型結構并集成濕式制動器。通過調配齒數及模數、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：傳動軸的萬向節設計、轉向鉸接設計。

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

圖4 雙聯式萬向節

轉向鉸接的設計：為了保證車輛直線行駛的穩定性、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主銷后傾、萬向節主銷內傾、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 雙聯式萬向節

最終實現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 動態仿真分析規劃

通過使用ADAMS進行動態仿真分析，導入模型并根據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建立路面模型，模擬反門式車橋攜帶規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過、單側車輪經過兩種工況，加載質量至額定載荷7t，開始進行仿真實驗。

表 仿真數據表

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現，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載荷最大，能達到靜態載荷的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，能夠體現出比較接近實際使用工況的模擬分析，得到的數據也比較有參考價值。

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圖（圖9）。

圖8 網格效果

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計算方法，為無軌膠輪車車橋及底盤的研究及優化提供了一種新方法。

通過凹型車橋的設計研究，實現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處于合理范圍內，局部應力集中可以通過局部優化結構來解決。

（3）根據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化改進研究。