客車蓄電池托架結構優化設計

盛長超 周曉萍

摘要：針對某些客車蓄電池托架結構設計笨重、靈活性差，導致安裝和維修不方便的問題，設計了一款可抽拉式蓄電池托架。該托架主要由異形槽鋼、三節式滑軌、內托盤等部件組成，能夠實現蓄電池向外抽拉560 mm，大大提升了安裝和檢修的方便性。為驗證優化后托架能否滿足使用要求，利用CATIA建立三維模型并導入ANSYS中進行有限元分析，結果表明，結構強度滿足工況要求。

關鍵詞：蓄電池托架；抽拉式；三維模型；有限元分析

中圖分類號：TH122? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）12-0056-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.016

0? ? 引言

客車上的蓄電池作為車輛重要的供電設備，能夠為發動機的啟動、點火系統提供電源，同時為汽車用電器提供穩定的直流電源，保證汽車的電子器件正常工作。另外，客車蓄電池也是一個巨大的“電容器”，它可以起到穩定發電機發出的交流電的浪涌電壓的作用，從而在客車高速運轉時，使電壓穩定，更好地保護客車的用電器[1-2]。作為固定和放置蓄電池的托架，其結構的優劣不僅影響到客車的正常運行，還直接影響到安裝和使用的方便性。

據實地考察，現有蓄電池托架結構一般分為抽拉式和不可抽拉式，主要用于客車上蓄電池的存放和固定。抽拉式托架可以將蓄電池抽出，其抽拉結構主要由軸承組成。此結構抽拉距離有限，且抽拉力大，實用性能較差。不可抽拉式托盤在電瓶艙體內固定后不可移動，間接性縮小了艙內電氣部件的檢修空間，給后續維護帶來不便。另外，現有蓄電池托架安裝結構分為螺栓固定和焊接固定。螺栓固定時螺栓外露，位于托架外側；采用焊接固定方式時，整個托盤使用中不可拆卸，靈活性差，后續檢修不便，且該固定方式焊點外露，隨著車輛的顛簸和雨水泥土的沖刷，焊接位置會出現銹蝕和開裂現象。以上兩種固定方式都影響了電瓶艙體的整體美觀性[3-4]。

基于此，對蓄電池托架結構進行優化，設計一款可抽拉式蓄電池托架，抽拉過程主要靠三節式滑軌實現，抽拉距離長；利用CATIA建立三維模型，并將其導入ANSYS中進行有限元分析，旨在驗證優化后的蓄電池托架有足夠的強度，能夠滿足客車工況的使用要求。

1? ? 總體結構和使用說明

1.1? ? 總體結構

本設計的可抽拉式蓄電池托架主要由異形槽鋼、三節式滑軌、內托盤、限位桿、固定銷等部件組成，其結構簡圖如圖1所示。

兩個限位桿4直接焊接在內托盤3的中間位置，高度由蓄電池的高度決定。限位壓鐵2通過螺母固定的方式擰緊在限位桿4上，以上兩個部件對蓄電池都起到固定作用，防止車輛在行駛過程中蓄電池晃動而帶來的車輛故障問題。內托盤3以螺栓連接的方式直接與三節式滑軌6相連，螺栓規格選擇M6×1.5，為保證強度要求，每側使用6個螺栓。為保證抽拉過程中的流暢性，螺栓只與三節式滑軌6中最內側一節相連。三節式滑軌6直接從廠家購買，承載能力達250 kg，拉伸長度總計560 mm，滑軌最外側一層以螺栓連接的方式固定在異形槽鋼1上，整個可抽拉式蓄電池托架安裝完成。為方便內托盤的抽拉與固定，在托盤的最前端用固定銷5將內托盤3和異形槽鋼1連接在一起，固定銷5結構類似于M8螺栓。

1.2? ? 使用說明

將蓄電池放置在托架之前，首先需要將托架與客車車架進行固定。異形槽鋼的下折邊開設三條長條孔，按照每個長條孔的中間位置在車架的支撐部件上提前預埋螺母。安裝托架時，直接將托架放在電瓶艙體所布置的位置上，將內托盤拉出后，異形槽鋼的長條孔便顯露出來，每側直接使用3個M8螺栓連接即可，連接后的示意圖如圖2所示。預埋螺母的好處是在擰緊連接螺栓2時，不需要使用其他工具固定螺母避免轉動，大大提高了安裝方便性和快捷性。而且從圖中可以看出，安裝完之后的蓄電池托架，連接螺母2直接被內托盤擋住，為隱藏式固定方式，大大提升了電瓶艙體的美觀性。安裝后放置在電瓶艙體內的效果圖如圖3所示。

當放置蓄電池、蓄電池接線或后期維修時，首先將圖1中的固定銷5擰下，拉出內托盤，將蓄電池放入即可。內托盤拉出后的效果如圖4所示。

內托盤拉出時，滑軌可伸出距離L=560 mm，此時內托盤已移動到電瓶艙體外，放置蓄電池時周圍空間大，因此大大提高了放置蓄電池時的方便性。蓄電池放入托架后，使用圖1中的限位壓鐵2在蓄電池的正上方進行壓緊，固定完畢。放置完成后，直接將內托盤推回原位置，再使用固定銷將內托盤固定即可。

綜上整個蓄電池托架結構及安裝使用過程，螺栓連接固定的方式一方面可以避免長時間使用后連接處出現銹蝕和開裂的現象；另一方面，拆卸和安裝靈活，打破了傳統的固定到底的方式。抽拉式結構能夠實現蓄電池拉出艙體后進行安裝、接線和檢修等工作，大大提升了使用便利性和實用性。

2? ? 主要零部件設計

2.1? ? 內托盤

內托盤的主要作用是放置和固定蓄電池，客車上常用的兩種型號蓄電池為12 V/200 Ah和12 V/195 Ah。其中12 V/200 Ah的蓄電池外形尺寸為：長×寬×高=510 mm×268 mm×210 mm；12 V/195 Ah的蓄電池外形尺寸為：長×寬×高=516 mm×253 mm×212 mm。為提高所設計的蓄電池托架通用性，同時滿足以上兩種型號蓄電池的使用，綜合兩種蓄電池的尺寸進行內托盤的設計。每輛客車需要放置兩塊蓄電池，考慮到放置時的實際情況，蓄電池與周圍部件應留有一定間隙，最終確定內托盤的有效尺寸為：長×寬=520 mm×550 mm?？紤]到輕量化和防止托盤外竄的因素，內托盤的高度設置為40 mm[5]。內托盤結構簡圖如圖5所示。

根據蓄電池放置的位置，內托盤中間去除四塊四邊形的板料，以降低托盤質量，實現輕量化的目的。內托盤的最前端設計成槽鋼形狀，與連接部件焊接在一起，并在槽鋼上側兩端開設固定銷孔，用于內托盤與異形槽鋼的固定。另外，當需要拉動內托盤時，直接拉動槽鋼即可，槽鋼也起到把手的作用。

2.2? ? 異形槽鋼

異形槽鋼是整個蓄電池托架的最外層結構，直接與車架上的支撐部件連接固定，其結構直接決定了整個蓄電池托架的穩定性。選擇槽鋼的目的一方面是收納三節式滑軌，減少正常情況下滑軌的暴露，另一方面是方便與車架支承部件相連。為方便與車架連接過程中施工，槽鋼的下折邊尺寸大于上折邊尺寸。其中，上折邊尺寸為20 mm，下折邊尺寸為40 mm，高度為90 mm。當托架安裝或拆卸時，工具能夠以接近垂直的方式對螺栓施加扭矩。異形槽鋼的結構簡圖如圖6所示。

異形槽鋼的上折邊向前伸出一定的距離，主要目的是用于設置固定銷孔2，通過固定銷，將內托盤與異形槽鋼進行固定。下折邊開設三條長條孔1是為了消除車架上預埋螺母的位置誤差，避免出現孔對不上螺母的問題。

3? ? 有限元分析

3.1? ? 材料設置

按照實際的蓄電池托架用料情況，將托架主要部件的材料特性匯總如表1所示[6]。

3.2? ? 網格劃分與參數設置

按照設計的相關尺寸利用CATIA繪制各個部件的三維模型，將各個部件裝配好之后保存為.x_t格式，并將其導入ANSYS有限元分析軟件進行計算分析。ANSYS是一款功能十分強大的仿真軟件，能夠根據設置的邊界條件模擬蓄電池托架真實的受力和變形情況[7]。蓄電池托架各部件材料特性按表1進行設置，設置好材料特性后對其進行網格劃分。為更精確地計算蓄電池托架使用過程中的受力和變形情況，網格大小設置為2 mm。網格劃分后生成768 382個節點，263 442個單元。得到的網格劃分圖如圖7所示。

3.3? ? 施加載荷求解

整個蓄電池托架所受外力主要來自于蓄電池的重力，根據蓄電池的相關參數，單個蓄電池重量約為55 kg，兩個蓄電池重量計為110 kg。除此之外，在顛簸的道路上、車輛加速或減速過程中，蓄電池托架所受的沖擊力也是需要考慮的，其客觀參數按照真實工況進行添加設置[8]。通過系統的仿真分析，得到總變形圖和等效應力圖，如圖8、圖9所示。

通過分析圖8蓄電池托架總變形圖可知，最大變形區位于內托盤的中間位置，最大變形量為6.8 mm。此位置離支撐端最遠，所受彎矩最大，根據彎曲變形的撓度計算方法[6]，可知變形量也最大。內托盤靠近滑軌位置以及異形槽鋼處下面直接有支撐，因此所受彎矩最小，變形量也最小。從內托盤中間向兩端顏色呈線性變化，說明變形量也呈線性變化，這與彎矩的大小相對應。通過分析圖9蓄電池托架等效應力圖可知，最大應力出現在內托盤中間位置的支撐板處，最大等效應力約為186 MPa，內托盤所使用的Q235鋼板材料最大屈服極限為235 MPa。通過等效應力圖可知，蓄電池托架的最大等效應力值小于材料的最大屈服極限，該托架滿足客車工況的使用要求。

4? ? 結論

針對某些客車蓄電池托架結構靈活性差，給安裝和后期維修帶來極大不便的問題，本文對蓄電池托架結構進行了重新設計：

（1）采用三節式滑軌的方式實現客車蓄電池托架的抽拉，抽拉距離為560 mm，大大提升了蓄電池放置、接線及后期檢修的方便性；

（2）采用異形槽鋼的結構形式，實現螺栓固定整個蓄電池托架，減少因焊接帶來的銹蝕和靈活性差的問題，不僅安裝十分方便，而且螺栓不外露，美觀性好；

（3）利用CATIA三維制圖軟件完成模型的建立，并導入ANSYS有限元分析軟件中進行模擬仿真，設置真實受力和路況情況，由得到的等效應力圖可知蓄電池托架所受最大應力為186 MPa，小于材料的最大屈服極限235 MPa，該結構強度滿足工況使用要求。

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收稿日期：2023-03-07

作者簡介：盛長超（1990—），男，山東聊城人，助教，主要從事機械結構設計及力學分析工作。