柳金梅

（綠友機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，北京 101301）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電動(dòng)車自身難點(diǎn)的不斷解決，電動(dòng)車的節(jié)能、環(huán)保、低噪音、低污染等優(yōu)點(diǎn)更加突出[1]。尤其是在高爾夫球場(chǎng)上，很需要一種安靜、清潔的交通工具用來(lái)轉(zhuǎn)移打球人員和隨身物品，在這種市場(chǎng)需求的刺激下，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)高爾夫球車（以下簡(jiǎn)稱球車）廠家如雨后春筍般出現(xiàn)。但我國(guó)球車行業(yè)出現(xiàn)較晚，關(guān)鍵技術(shù)尤其是底盤(pán)的設(shè)計(jì)上多以仿制國(guó)外球車居多。這里我們就是要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款耐腐蝕的、外觀造型新穎的、完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高爾夫球車產(chǎn)品。

1 球車設(shè)計(jì)原則

球車使用環(huán)境為高爾夫球場(chǎng)，參照國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，球車設(shè)計(jì)遵從的主要原則是：

（1）主要性能指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到《GB/T21268非公路用旅游觀光車通用技術(shù)條件》，同時(shí)參考《美國(guó)國(guó)家球車安全和性能規(guī)范》。

（2）充分計(jì)算，在結(jié)構(gòu)上將整車的穩(wěn)定性、安全性和舒適性協(xié)調(diào)到最佳。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，從爬坡性能、縱側(cè)向穩(wěn)定性和舒適性等角度，我們制定了球車的主要性能參數(shù)：①最高速度定為20km/h；②最大安全爬坡度定為30%；③續(xù)駛里程為60～80km即可滿足使用要求。

2 球車的總體方案

電動(dòng)高爾夫球車的工作原理為由蓄電池提供電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋通過(guò)花鍵連接直接將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上。球車的速度調(diào)節(jié)是通過(guò)油門(mén)踏板傳遞加速和減速信號(hào)到中央控制器來(lái)調(diào)節(jié)車速的變化。通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制球車的駕駛方向，行車制動(dòng)和駐車制動(dòng)共同來(lái)完成球車剎車和停車的安全問(wèn)題。同時(shí)涉及行車安全的部件還有前后保險(xiǎn)杠。圖1是我們?cè)O(shè)計(jì)和制造的球車外型結(jié)構(gòu)圖。

圖1 球車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of golf cart

3 球車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球車相對(duì)于其它車輛而言相對(duì)簡(jiǎn)單。需要投入大力氣的主要是以車架為主的底盤(pán)設(shè)計(jì)和整車的性能優(yōu)化。我們針對(duì)用戶的需求，根據(jù)整個(gè)車輛的功能特點(diǎn)，進(jìn)行車架上所有總成的布置，然后進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)，車架上各總成的布置決定了整車的主要尺寸、質(zhì)量參數(shù)等[2]。

3.1 車架功能和設(shè)計(jì)要求

車架是球車系統(tǒng)總成、零部件的安裝基體，它將蓄電池、電機(jī)、覆蓋件、前后橋等連成一個(gè)有機(jī)整體，制動(dòng)拉線、電氣線路也以車架為依托進(jìn)行布局。同時(shí)，車架還承受整車各個(gè)系統(tǒng)總成的質(zhì)量和有效載荷，來(lái)自于地面的各種沖擊也通過(guò)懸架傳遞到車架上。因此，車架要求有足夠的強(qiáng)度、彎曲剛度及適當(dāng)?shù)目古偠?，同時(shí)車架要盡量的輕量化。而車架的抗銹蝕能力決定了球車的壽命，于是耐腐蝕性強(qiáng)的全鋁車架則是首選。

3.2 車架基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)球車的基本參數(shù)，設(shè)計(jì)了球車車架的基本結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

圖2 車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Frame structure diagram

3.3 車架主梁的選材與設(shè)計(jì)

目前球車的車架主梁，其橫截面形狀多為矩形或圓形，且主要使用碳鋼型材，經(jīng)過(guò)多次折彎而成，整體偏重，加工難度大。為解決上述問(wèn)題，我們采用了一種新穎的車架主梁結(jié)構(gòu)。

在選材上，我們優(yōu)先考慮用鋁合金材料。因?yàn)殇X合金材料相對(duì)鋼材來(lái)說(shuō)，具有質(zhì)量輕、無(wú)需涂裝、耐腐蝕和美觀等優(yōu)點(diǎn)。再結(jié)合各種鋁合金材料的焊接性、通用性以及市場(chǎng)上的供貨情況，最終選定主梁材料為6061（T6），該材料的性能見(jiàn)表1。為避免該材料在焊接過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，選擇4043焊條，采用氬弧焊焊接車架總成。

在結(jié)構(gòu)上，該主梁還采用新穎的折彎結(jié)構(gòu)，使常見(jiàn)的4彎形狀減少為3彎形狀，大大降低了主梁的加工難度，可以使加工效率提高大概25%。如圖3（a）所示，長(zhǎng)條形主梁為立體的三折彎結(jié)構(gòu)。該主梁折彎結(jié)構(gòu)的折彎角度可以根據(jù)車輛底盤(pán)的布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。

表1 鋁合金6061熱擠壓無(wú)縫管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的力學(xué)性能[3]Tab.1 MechanicalProperties of Standard Specification for aluminum alloy 6061 hot extruded seamless tube[3]

圖3 車架主梁示意圖Fig.3 Schematic diagram of frame girder

根據(jù)最大彎矩計(jì)算主梁所需要的截面慣性矩，主梁選擇了矩形截面的鋁型材，并在主梁的橫截面上做了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如圖3（b）所示，該主梁橫截面為一具有圓角的中空矩形，具有一定管壁的厚度，且在該主梁的內(nèi)頂面和內(nèi)底面各設(shè)有一條向內(nèi)凸起的加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋與主梁管壁的交界線為一圓弧，該圓弧的半徑R1為加強(qiáng)筋高度與主梁壁厚的差。此圓弧設(shè)計(jì)，有效降低了對(duì)y軸方向折彎時(shí)該部位的應(yīng)力集中，降低了折彎過(guò)程中該部分開(kāi)裂的可能性。

此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在不增加主梁外形尺寸的條件下使得主梁的強(qiáng)度有很大的提高，可以廣泛適用于車輛底盤(pán)的主梁、各種結(jié)構(gòu)用梁及承重件。同時(shí)，使該主梁在安裝使用過(guò)程中能夠有足夠的厚度采用打孔攻絲等工藝方法，能有效減少安裝的難度，增加主梁的使用范圍。

3.4 車架彎曲剛度有限元校核

在確定了車架的截面和材料后，為了校核車架的剛度和強(qiáng)度能否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)球車的車架在滿載條件下進(jìn)行了有限元仿真分析。

首先是建立車架模型：在分析過(guò)程中我們對(duì)車架模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，只將主要承載應(yīng)力的主梁和橫梁進(jìn)行分析。然后對(duì)球車運(yùn)用有限元分析對(duì)車架進(jìn)行彎曲情況下的靜力學(xué)分析，分析的工況是：整車滿載水平放置，滿載質(zhì)量作為靜載，不計(jì)動(dòng)載系數(shù)，載荷方向垂直向下，模擬球車在平坦路面恒速行駛時(shí)產(chǎn)生的對(duì)稱垂直載荷。整車滿載質(zhì)量為830kg，非簧載質(zhì)量為125kg，則簧載質(zhì)量為705kg。在此工況下的邊界約束為主縱梁在四個(gè)車輪位置的節(jié)點(diǎn)位移為零，模擬四輪著地的情況。本球車則是車架與板簧連接的三個(gè)位置認(rèn)為垂直位移為零。具體載荷和反作用力的大小和位置分布如圖4所示。

圖4 車架載荷和位置Fig.4 Frame load and distribution

經(jīng)車架有限元變形分析得結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯嚰茉跐M載時(shí)，主梁前面折彎處變形最大，最大變形量為1.16mm，在允許的范圍內(nèi)；同樣經(jīng)有限元應(yīng)力分析可得車架的最大彎曲應(yīng)力在車架中部，最大約為70MPa，將分析結(jié)果乘上動(dòng)載系數(shù)2.5和疲勞系數(shù)1.2后，為210 Mpa，它小于材料的應(yīng)力極限。

圖5 車架有限元分析變形量示意圖Fig.5 Deformation diagram of finite element analysis of frame

在實(shí)際的車架結(jié)構(gòu)上還要焊接其它的鋁合金結(jié)構(gòu)件，能進(jìn)一步提高車架結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，因此，實(shí)際最大彎曲應(yīng)力截面處的應(yīng)力還會(huì)更低。另外，通過(guò)有限元分析還可以加快球車的設(shè)計(jì)驗(yàn)證速度，節(jié)省成本，同時(shí)對(duì)于其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高球車車架的使用壽命都是非常重要的。

4 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制動(dòng)系統(tǒng)是球車中最重要的部分之一，該部分的穩(wěn)定性、可靠性和可操控性直接與整車的安全性相關(guān)。目前，各品牌球車均采用剎駐分離式制動(dòng)踏板，即駐車踏板與剎車踏板分離，如需駐車制動(dòng)需踩動(dòng)單獨(dú)的駐車踏板，操作上存在一定的復(fù)雜性。同時(shí)，由于球車允許沒(méi)有機(jī)動(dòng)車駕駛執(zhí)照的人員操作，如果駕駛?cè)藛T在下車時(shí)沒(méi)有及時(shí)踩下駐車踏板，極有可能造成事故，于安全性不利。因此，我們研發(fā)了獨(dú)特的剎駐一體式制動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)制動(dòng)踏板帶有剎車與駐車制動(dòng)兩種功能。

該聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)中制動(dòng)踏板與加速踏板是通過(guò)棘輪、棘爪相互關(guān)聯(lián)的，如圖6所示，棘輪與制動(dòng)踏板軸相連，棘爪與加速踏板軸相連。棘輪上有兩個(gè)凹槽——即在剎車的的末端有兩個(gè)駐車檔位。當(dāng)在一定范圍內(nèi)踩制動(dòng)踏板時(shí)，棘爪在棘輪的光滑段滑動(dòng)，車子只做剎車制動(dòng)，收腳后制動(dòng)踏板自動(dòng)回位；但當(dāng)制動(dòng)踏板踩到任意駐車檔時(shí)，棘爪落在棘輪的凹槽里，收腳后制動(dòng)踏板并不回位，這時(shí)需要踩加速踏板，初始的力首先會(huì)使棘爪從棘輪的凹槽中脫出，釋放駐車，使制動(dòng)踏板回位，繼續(xù)踩加速踏板，球車才加速前行。收腳后加速踏板自動(dòng)回位，如此往復(fù)運(yùn)動(dòng)是該聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的典型運(yùn)動(dòng)形式。

該系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化了制動(dòng)部分結(jié)構(gòu)，卻絲毫沒(méi)有降低該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少了零件的數(shù)量，加強(qiáng)了操控性，有效地降低了在人車分離時(shí)由于沒(méi)有踩好駐車而發(fā)生事故的幾率。

圖6 球車踏板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the brake pedal integrated

5 外觀設(shè)計(jì)

由于球車使用場(chǎng)合的特殊性，國(guó)內(nèi)外的多數(shù)品牌都將外觀設(shè)計(jì)擺在了整車設(shè)計(jì)中很重要的地位，我們也在造型方面花了很大的力氣（球車外觀參見(jiàn)圖1）。本產(chǎn)品整車外觀完全自主設(shè)計(jì)，采用流線型設(shè)計(jì)，線條靈動(dòng)。整車塑料件采用工程PP改性塑料，通過(guò)注塑、吸塑、吹塑等不同工藝，實(shí)現(xiàn)不同功能對(duì)零件性能的要求。整車主要外覆件表面采用底漆、色漆、亮漆依次噴涂，配合套色工藝，漆料中添加抗UV成分，抗老化褪色能力較強(qiáng)。車燈采用汽車級(jí)LED技術(shù)，造型精致優(yōu)美，與整車一體設(shè)計(jì)，透出產(chǎn)品的靈動(dòng)。同時(shí)，在頂棚、頂棚支架等相關(guān)零件上布置了雨水導(dǎo)流系統(tǒng)，這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)提升了駕乘體驗(yàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)首款全鋁合金車架的、完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高爾夫球車。它安全、舒適、環(huán)保，具有新穎外觀，可與球員和球童完美配合。該設(shè)計(jì)突破若干個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，整車擁有多項(xiàng)專利，各方面特點(diǎn)突出。目前，該款高爾夫球車的開(kāi)發(fā)已完成，上市后深受客戶喜愛(ài)，也為企業(yè)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]胡驊，宋慧.電動(dòng)汽車[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]張洪欣.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]林鋼，林惠國(guó)，趙玉濤.鋁合金應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.