纯电动平动式轻型装载机设计

前 言 平动式轻型装载机项目是为了适合我国轻工行业当前对装卸、搬运机械化的需 求而提出的。样机布局合理、结构新颖、行走灵巧、作业平稳、操作简便。鉴定证 书评价本项目成果具有新颖性、创新性，整机技术指标达到现代国际先进水平和 国内领先水平。 平动式轻型装卸机技术原理、特点、用途如下，平动式轻型装卸机为电控液 压驱动，执行元件升降油缸使主臂举升或下落，主臂为一平行四边形四杆机构，主 臂端部的托板或机械手在举升、下落过程中一直保持平动，因此可以平稳举升像大 电视等箱形物品及像水缸那样的液体容器。平动式轻型装卸机结构轻巧、人力推动， 行走自如。整机共有 5 个自由度，工作范围广。适用于工厂、仓库、商场等各种 装卸、搬运及装配工作，也适用于货运卡车的上下货作业。尤其适用于下列各种装 卸对象： a.箱形物品：如有包装的电视机、电冰箱、洗衣机、空调机等； b.桶形物品：如油桶、油漆桶、涂料桶等； c.袋装物品：如谷物、粮食、化肥、食品等。 我国轻工、商贸工厂、企业、商场等几乎遍布全国，大部分企业的规模较小， 机械化程度较低；但物品的装车、卸车工作在大部分场合没有专门的装卸设备，因 此急需一种适合于我国国情的、小批量生产的装卸设备。销售大型家用电器的商店 以及粮食、油类、化工、食品等 50 公斤至 5000 公斤包装产品的装卸、堆放、搬 运工作，对平动式轻型装卸机的需求量很大。加上其它领域的中小企业、机关、学 校等用户，市场 极其广大。 纯电动平动式轻型装载机是指以电为动力来进行作业的车，大多数都为蓄电池 工作。而蓄电池是电池中的一种，它的作用是把有限的电能储存起来，在合适的地 方使用。它的工作原理就是把化学能转化为电能。 纯电动平动式轻型装载机的 电瓶内装的也就是这种蓄电池。要注意的是，电池最好不要横放，因为，电池的 内部一般是 2228的稀硫酸。电池正放的时候电解液可以淹没极板并且还剩下 一点空间如果把电池横放的话会有一部分电极板暴露在空气中，这对电池的极板非 常不利，而且一般的电池的观察孔或者电池的顶部都有排气口与外界相通，所以电 池横放电解液很容易流出。 纯电动平动式轻型装载机具有装卸和搬运功能，机动灵活，能适应多变的装卸 搬运要求，普遍适用于港口、车站、货场、车间、仓库、油田及机场等处，还可以 进入船舱和集装箱内进行装卸作业，除此之外，还广泛应用于军事部门和特殊防爆 部门，有的平动式轻型装载机可无人驾驶，到人员不断接近的地方工作适用于柔性 加工系统，总之，纯电动平动式轻型装载机使用范围将日益扩大，成为一种产量与 品种很多的装卸搬运机械。 随着科学技术的进步，市场经济的发展，物流设备在经济发展中的地位和作用 也越来越明显，纯电动平动式轻型装载机普及率也越来越高，纯电动平动式轻型装 载机制造业之间的竞争也 越来越激烈 。企业只有不断的进行技术创新及探索，才 有可能在激烈的市场竞争中立于不败之地，也只有不断地寻求未来纯电动平动式轻 型装载机的发展趋势、适时地将产品推向市场，接受市场的考险，并不断的进行改 进，才能使企业不断的发展壮大，总之，未来纯电动平动式轻型装载机的发展趋势 体现在： (1)更加注重人类功效学。以提高操纵舒适性研究表明，驾驶室内壁的精巧布 置有利于提高生产率。如果所有的控制都能按人机工程学进行布置，司机操纵就更 加舒适，更能集中精力工作。 (2)绿色环保成为纯电动平动式轻型装载机工业追求的目标。随着人类环保意 识的增强，环保法规的出台，排放少、噪声小的纯电动平动式轻型装载机必然受到 欢迎。纯电动平动式轻型装载机以其零排放、噪声小必将成为首选。 (3)更强调纯电动平动式轻型装载机的安全性随着国际化进程的进一步加快， 工业企业除了不断改进产品质量、提高产品的舒适性等性能外，对产品的安全性也 越来越重视。产品的安全性已经成为企业迈向国际市场的一道门槛。 最近几年电动车辆由于低噪声、无污染，产销量呈逐年上升趋势，从产品的品 种到产品的形式、制造工程设整个纯电动平动式轻型装载机行业发生了翻天覆地的 变化。 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第 1 章 绪 论.1 1.1 研究的目的和意义.1 1.2 纯电动轻型装载机的发展状况.2 1.3 纯电动轻型装载机的工作性能.2 1.4 纯电动轻型装载机的主要参数.3 1.5 电动装载机的关键技术.5 1.5.1 蓄电池技术.5 1.5.2 电动机技术.6 1.5.3 能量管理系统.6 1.5.4 货叉构造.7 第 2 章 纯电动轻型装载机的总体设计.8 2.1 总体设计的原则.8 2.2 总体设计的流程.9 2.3 总体设计内容.9 2.3.1 总体参数的确定.10 2.3.2 重心计算.12 2.3.3 牵引计算.15 2.3.4 制动性能计算.17 2.3.5 机动性参数确定.18 2.3.6 稳定性计算.18 2.3.7 轮胎选择.20 2.4 转向系设计.20 2.5 悬架设计.21 2.6 制动系设计.21 第 3 章 纯电动轻型装载机动力传动系统的匹配.23 3.1 选取蓄电池和电动机类型.23 3.2 电动装载机的性能要求及匹配计算.23 3.2.1 电动轻型装载机的性能要求.23 3.2.2 电动机功率的确定.23 3.2.3 电动机转矩和转速的确定.24 3.2.4 蓄电池参数的确定.25 3.2.5 传动系统的选型.26 3.2.6 传动系统参数的确定.27 3.2.7 参数匹配设计小结.29 第 4 章 纯电动轻型装载机工作装置设计.30 4.1 系统构成与原理.30 4.2 门架构造.30 I 4.2.1 货叉.30 4.2.2 叉架的类型和构造.32 4.3 门架系统设计.32 4.3.1 高度几何尺寸设计.32 4.3.2 度几何尺寸设计.33 4.3.3 前后位置布置.33 4.4 起升液压系统设计.34 4.4.1 初选方案.34 4.4.2 应修改的方案.34 4.4.3 验算工作压力.36 4.4.4 液压泵的选取.37 4.4.5 电动机功率的计算.37 第 5 章 全文总结与研究展望.39 5.1 全文总结.39 5.2 研究与展望.39 致谢.40 参考文献.41 纯电动平动式轻型装载机设计 摘 要 平动式轻型装载机械是现代物流、工厂、仓库、商场等各种装卸、搬运及装配工 作必需的机械装备。当前，随着物流新技术的发展，纯电动平动式轻型装载机受到了 更广泛的关注，其产品在国外市场已趋向成熟并得到广泛的应用，期间也取得了较多 的成果和专利，而国内的相关技术和研究却比较少，随着我国机械工业的发展，开发 具有自主知识产权的纯电动平动式轻型装载机，具有十分重要的现实意义。本文参考 国内外的有关资料，针对一款国内平动式轻型装载机进行动力总成、关键功能总成及 总体布置设计，主要进行的工作有： (1)进行总体方案设计。通过分析吨位、起升高度、自由提升高度、转弯半径、 轴距、轮距、运行速度等总体参数，确定轻型装载机的总体尺寸。 (2)进行方案选型。通过分析蓄电池型号及尺寸、传动形式、转向形式、制动形 式，门架形式等，完成动力总成、关键功能总成的关键部件设计、计算、校核。 (3)总体计算。根据总体参数进行自重与轴载计算，牵引计算，机动性能计算， 制动性能计算，稳定性计算。 (4)绘制总体布置三维图。根据轻型装载机的安装、外形、限制尺寸运用 UG 绘制 轻型装载机总体布置图。 (5)绘制整体装配图及关键零部件图。根据总体布置图通过 UG、CAD 绘制整体装 配图及关键零部件图。 关键词: 电动装载机，总体设计，动力性能，参数匹配，平顺性能 I Abstract The translational light loader machinery is necessary mechanical equipment of the modern logistics, factory, warehouse, supermarket and all kinds of loading and unloading, handling, carrying and assembly work. At present, with the development of new technologies of the logistics , full electric translational light loader machinery arouses wide concern, its product in foreign markets has already increased maturity and widely used, meanwhile, a good many relative patents and achievement are gained. However, there are few relative technique and research at home, with the development of domestic machinery industry, it has very important practical significance to research and develop full electric translational light loader machinery with intellectual property rights. This paper reference the relevant information at home and abroad, conducting powertrain, key function assembly and layout design to against a domestic translational light loader machine, the main jobs are: (1) General design. Through the analysis of the general parameters, such as tonnage, lifting height, free hoisting height, turning radius, wheelbase, running speed, and determine the overall size of light reproduced machine. (2) Scheme selection. Through analysis of the types and sizes of battery, transmission form, brake form, the door frame form, to complete the design, calculation and check of the key functions powertrain of the key parts assembly. (3) General calculation. According to the general parameters, calculate the dead weight and axial load calculation, traction calculation, motor performance calculation, braking performance calculation and stability calculation. (4) Drawing 3D layout modeling. According to the installation, appearance and the limiting size of the light machine, use UG draw light load machine overall arrangement. (5) Drawing the whole assembly figure and key components figure. According to the general layout figure, draw the whole assembly figure and key components figure through the UG and CAD. Key words: Electric Loader，General Design，Dynamic Performance，Parameters Matching，Riding Comfort 纯电动平动式轻型装载机设计 0 第 1 章 绪 论 1.1 研究的目的和意义研究的目的和意义 随着经济社会的发展，现代的机械越来越向轻型化、灵活化、高效化、低能耗等 方向发展。纯电动平动式轻型装载机由于其操作控制简便，灵活外，其操作人员的操 作强度要相对内燃叉车而言轻很多，其电动转向系统，加速控制系统，液压控制系统 以及刹车系统都由电信号来控制，大大降低了操作人员的劳动强度，这样一来对于提 高其工作效率以及工作的准确性有非常大的帮助。且相较于内燃叉车，电动车辆的低 噪音，无尾气排放的优势也已得到许多用户的认可。另外，选用纯电动平动式轻型装 载机还有一些技术方面的原因。电子控制技术的快速发展使得纯电动平动式轻型装载 机操作变得越来越舒适，适用范围越广，解决物流的方案越来越多。这些方面来看， 电动叉车的市场需求肯定会增长速度会越来越快，纯电动平动式轻型装载机市场份额 也会越来越大的。 所以，为了实现现代机械的要求，轻型化、灵活化、高效化、低能耗等是进行纯 电动平动式轻型装载机设计和开发时必须考虑的因素。为了使纯电动平动式轻型装载 机在满足性能要求的情况下能有较好的制动性能和稳定性，主要在以下方面进行设计 改进： （1）外观造型和表面处理，外观造型都采用了现代轿车的设计方法，即大圆弧 流线形曲面造型。 （2） 人机工程，现代纯电动平动式轻型装载机驾驶室的每一个设计细节都充分 考虑了工作效率和安全性，更符合人机工程学原理。 （3）电气系统，现代纯电动平动式轻型装载机均配有先进完善的电气系统，包 括行走、起升、转向控制器、DC-DC 转换器和车载充电器等。 （4） 制动系统，现代纯电动平动式轻型装载机一般配有 3 套独立的制动系统： 作用于驱动轮和承载轮的踏板液压制动；电子或机械式驻车制动；再生制动。 （5） 动力转向，现代纯电动平动式轻型装载机普遍采用电气动力转向（EPS）和 电气液压动力转向（EHPS） 。 由于纯电动平动式轻型装载机类型较多，在此我选择最常用的纯电动轻型装载机 电动叉车进行设计和计算。 1 现代物流业现已成为新世纪国民经济的一个支柱产业。它不仅构成现代供应链、 价值链管理的载体和基础,把生产、流通与消费有机地连接起来,加速社会再生产过程, 而且以最快速度、最佳时间和最优组合完成商品从生产领域向消费领域的转移过程,最 大限度地节省流通费用。而被誉为“搬运之神”的叉车在物流领域发挥着巨大作用。近 几年电动叉车将越来越受到用户的青睐。但是从总体上来看电动叉车的市场比例仅仅 为 21%，该比例与欧美市场的电动叉车的比例相比较，仍存在相当大的差别。由此可 见我国电动叉车有广阔的市场前景。 1.2 纯电动轻型装载机的发展状况纯电动轻型装载机的发展状况 目前中国靠人力装卸，搬运的物品重量大部分在 100 公斤以上，从人的体内能承 受的负荷分析，一般在 50 以上便觉得较重，所在研制的平动式轻型装卸机额定起重 量定为 1250 公斤为了扩大本装卸机的适用范围，主机配有托板和两种机械手，用托 板举升较重物品的额定起重量为 1250 公斤，抓取袋形物品的机械手的额定起重量为 50 公斤，抓取箱形物品的机械手的额定起重量为 60 公斤，装卸机升程为 3 米。用托 板可方便地进行货运卡车的装卸作业，值得强调的是中国货运卡车的装卸方面，目前 还没一种理想的、简便通用的装卸机。八十年代，是我国轻型装卸机行业飞速发展的 十年，其发展的状态表现出以下几个特点： （1）起重量向大吨位发展八十年代初，国内生产 5 吨以上轻型装卸机的厂家只 有大连，宝鸡、北京、湖南等五个生产厂，三四个规格，最大起重量不超过 25 吨。 （2）采用系列设计的思想，增加与完善轻型装卸机的品种, 这种系列设计的先 进设计思想，迅速被整个行业所接受。 （3）蓄电池叉车生产厂家增加较多。 七十年代末，生产蓄电池叉车的厂家只有抚顺、沈阳、上海等几个生产厂， 、但 目前日发展到三十多个厂家，如内蒙、四川、云南、海南也相继建立的蓄电池叉车生 产厂，这对改善我国蓄电池叉车的工业布局，起了极的作用。 在国外新产品新结构不断涌现纯电动轻型装载机以围绕提高效率、降低成本为核 心，继续向大型化、微型化发展，不断推出新产品，加速更新换代。 1.3 纯电动轻型装载机的工作性能纯电动轻型装载机的工作性能 轻型装载机的工作性能包括： 纯电动平动式轻型装载机设计 2 （1）装卸性能：它反映轻型装载机的起重能力和装卸效率，是决定轻型装载机 作业生产率的重要因素。常以额定轻重量、载荷中心距、最大起升高度、自由起升高 度、起升和下降速度、门架前后倾角等技术参数来表征。 （2）牵引性能：他反应轻型装载机行驶驱动能力，常用满载和空载最大行驶速 度，满载和空载最大爬坡度、挂钩牵引力等参数来表征。它对轻型装载机的作业生产 率有较大影响，尤其在货场搬运距离较大的条件下影响更大。 （3）制动性能：它反映轻型装载机在行驶中迅速减速和停车的能力，决定了轻 型装载机作业的安全性，在有关技术标准中规定：平衡重式轻型装载机以空载最大行 驶速度行车紧急制动时，其最大制动距离不大于 6m。有时，还规定紧急制动时的减 速度和停车最大坡度。 （4）稳定性：它指轻型装载机在各种工况下抵抗倾翻的能力，是保证轻型装载 机作业安全的必要条件。国家标准规定：轻型装载机必须进行有关的纵向稳定性和横 向稳定性试验，试验全部合格后方能使用。 （5）机动性：它反映轻型装载机在狭窄通道和场地灵活转弯和作业的能力，关 系到轻型装载机对作业场所的适应性及仓库、场地面积的利用率。与机动性能有关的 技术参数有最小转弯半径、直角通道最小宽度、堆垛通道最小宽度等。 （6）通过性：他反映轻型装载机克服道路障碍、通过各种路面和门户的能力。 代表轻型装载机通过性的技术参数有：最小离地间隙、外形宽度及高度。转向车轮的 相对位移量及最大轮压等也影响通过性。 （7）操作轻便性和舒适性：指轻型装载机各操作件及驾驶座的布置符合人机工 程学的要求，各操作手柄、踏板的操纵力和操纵行程要在体能范围内，使驾驶员不致 过度疲劳，要具有良好的作业视野及舒适的乘坐环境等。 轻型装载机和其他机械一样，对可靠性、安全性、经济性必须给予充分重视，设 计和选用轻型装载机必须全面综合考虑，使轻型装载机总体性能优良，经济效益高。 1.4 纯电动轻型装载机的主要参数纯电动轻型装载机的主要参数 设计、选用轻型装载机时往往依据它的技术参数，技术参数能从数量上反映出轻 型装载机的各项重要性能。平衡重式轻型装载机主要有下列技术参数： （1）额定起重量：指轻型装载机门架处于垂直位置、载荷质心位于规定的载荷 中心距时，允许货叉举起载荷的最大质量。目前我国有关标准已制定了轻型装载机的 额定起重量系列。额定起重量是轻型装载机最重要参数，它对轻型装载机的总体布置、 3 外形尺寸、轮压和轮胎选择等有决定性的影响。 （2）载荷中心距：指装载机载荷质心到货叉垂直段前壁的规定水平距离。我国 有关标准规定了平衡重式装载机的载荷中心距系列值，它们与额定起重量系列相匹配。 表 1.1 额定起重量与载荷中心距的关系 额定起重量(t) Q m15000 功率密度中低高较高 峰值效率（%）9495858995978590 功率因素（%）828590936065 过载能力（%）300500200300300500 负荷效率（%）9092808785977886 恒功率区比例1:51:2.251:3 电动机质量中重轻轻 电动机尺寸中大小小 结构坚固性好差一般优良 可靠性好一般优良好 控制操作性能好最好好好 控制器成本高低高一般 从目前来看，欧美多采用交流电动机，日本多采用永磁电动机，我国在低档电动 装载机上用直流电机。微型电动装载机的电机需要高的比功率和工作区域的高效率， 且具有满足恶劣使用条件的坚固性和满足布置的要求体积重量。 1.5.3 能量管理系统 由于电动汽车蓄电池的储存能量有限，其行驶里程远远达不到内燃机车的水平能 量管理系统的目的就是要最大限度的利用有限的车载能量，增加行驶里程。另一方面， 还得采集车辆的各个子系统的运行数据，进行监控和诊断，控制充电方式和显示剩余 能量等功能。能量管理系统的关键功能就是优化能量在动力部件和辅助附件之间的合 理分配，以达到使用性能的要求。 纯电动平动式轻型装载机设计 6 1.5.4 货叉构造 设计电动装载机时，对影响整装载机性能的参数需要进一步改进。比如减轻整装 载机的质量、降低风阻系数以及减小滚动阻力等，货叉在整装载机重量的比例较大， 采用镁、铝等轻质材料及复合材料，进行结构的优化设计，可使装载机自身质量减轻 10-30，有利于提高电动装载机的动力性和蓄势里程，使用新材料制成的高气压 子午线轮胎，可减少电动车 20的滚动阻力。 7 第 2 章 纯电动轻型装载机的总体设计 2.1 总体设计的原则 微型电动装载机采用蓄电池作为能量源，电动机作为能量转换装置，并采用导线 进行蓄电池、电动机、控制器之间的信号和能量传递，因此，电动装载机的电气化程 度要高于传统的内燃机车。且微型电动装载机多用于仓库，道路情况良好，频繁的启 动停车，对电气系统及安全连接的要求较高。因此在进行总体设计时需考虑安全性原 则。 因当前开发的是试验样车，产量不高。应按照继承性原则尽量应用市场上能够采 购到的零配件，避免因部件的重新设计制造引起的时间浪费和成本增加。这样可以尽 量缩短设计试制周期，以降低成本。 总布置设计中须充分考虑电动装载机的状态，在布置设计过程采用一致性的原则。 分析电动装载机结构或者布置方法是否可采用传统装载机的理论方法，这样可以运用 原有的布置方法进行适当的改动即可，进一步减少布置设计的时间，且有助于提高成 功率。 人机工程、结构布置、制动性、平顺性和操纵稳定性等要求应满足国家现行的装 载机强制性标准，对于微型电动装载机专有的动力蓄电池、能量管理系统等电磁系统 的辐射值等也必须满足标准要求。 总体布置方案如图 21 所示 图2-1 轻型装载机整体布置图 纯电动平动式轻型装载机设计 8 2.2 总体设计的流程 在设计开发电动装载机时按照图2.2所示的流程进行，在确立整车设计目标后根据 电动装载机的技术参数确定相关的部件参数，并进行转向系、悬架系、制动系、工作 装置设计和人机工程学的校核等，最后在总布置设计完成的基础上进行电动装载机的 性能计算。 图 2-2 轻型装载机设计流程图 2.3 总体设计内容 总体设计的目的：根据给定的设计参数及工作条件，确定整机形式，各部分构造 形式，尺寸范围，进行总体布置;对各项技术性能进行计算或估计，为各部分的技术设 计提供依据或限制，是各部分组合成为合理的轻型装载机整体。 总体设计的方法：参照现有类似产品，边分析，边判定，边估算，边布置，反复 进行，渐趋合理完善。它必须在各部分设计之前开始进行，但只有当各部分设计都完 成时才能真正完成。 总体设计步骤：设计过程是交错反复的，很难确定一个一成不变的设计步骤，但 可以按下列基本步骤进行： （1）分析给定的技术参数及工作条件，进行调查研究，搜集资料。 确定装载机设计目标 制定装载机参数 底盘的布置设计 蓄电池 的布置 设计 电机布 置设计 传动系 布置设 计 制动系 布置设 计 转向系 布置设 计 工作 装置 布置 设计 人机工程学校核 整装载机性能计算 9 （2）确定各构件的构造型式，主要尺寸及布置位置。 a.确定起重门架、滑架、货叉的型式，确定起重部分的主要尺寸，如门架高度和 布置位置、货叉垂直前壁至前轴的距离等，保证给定的起升高度，离地间隙及起重部 分不与车轮部分相碰。 b.确定起升油缸型式及链条连接方式，以保证成分的自由起升高度。 c.确定倾斜油缸的数目、布置方式及油缸长度，保证给定的前后倾角。 d.确定液压系统的组成及各部件型式绘出液压系统原理图及布置图。 e.确定轴距、轮距和前后车轮的支撑方式，绘出液压系统原理图及布置图。 f.选定驱动方式：或后轮驱动，或前轮集中驱动，或前轮分别驱动。 g.确定驱动传动系统的构造型式及布置位置。 h.确定制动器型式及布置位置，确定只制动操纵装置的型式。 i.确定转向器型式及转向器至转向轮的传动方式。 j.选定车架型式，各部件（包括配、蓄电池组）等的布置和车架的连接方式等。 （3）各部分重量和重心的估算，整车自重及重心的确定。 2.3.1 总体参数的确定 新开发的电动装载机的车辆的尺寸和质量参数要依据设计任务要求和按照相关法 规标准以及相似车型的基本参数作为参照进行合理选取。 尺寸参数 a.外廓尺寸 电动装载机的外廓尺寸为整车的长L、宽B、高H，所设计的电动装载机适用于市 区道路和仓库地面满足电动装载机的使用要求时，可尽量减小装载机的外廓尺寸，降 低材料的使用以减轻装载机的重量，提升装载机的经济性和机动性。同时必须满足法 规法律的要求。根据要求及装载机的车型得装载机的外廓尺寸如下表2.1所示： 表 2.1 外廓尺寸 外廓尺寸LBH mm293710702140 b.轴距 电动装载机轴距的选择要考虑整机其他尺寸参数之间的影响。并考虑运行条件下 电动车最小转弯直径、纵向通过半径或纵向通过角、轴荷分配、质量转移系数、操纵 稳定性和平顺性等要求。根据要求及装载机的车型得装载机的轴距为1250mm. 纯电动平动式轻型装载机设计 10 c.前后轮距和 1 B 2 B 电动装载机的前后轮距对装载机的总宽、总质量、横向稳定性和机动性都有影响。 轮距愈大，则悬架的角刚度愈大，横向稳定性变好，车厢内的横向空间也愈大。但轮 距不宜过大，否则会引起电动装载机总质量增加。装载机的轮距B可由下列经验公式 初选： 3 100( 80) 4 WB 或者 Bkl （2.1） 式中：轿车的轮距，mm；B 轿车总宽，mm；W 轿车轴距，mm；l 系数，对于装载机：。k0.55 0.64k d.前悬、后悬 F L R L 装载机前、后悬将直接影响装载机的接近角、离去角以及轴荷分配。且前悬长度 的选取应满足车辆接近角的要求并且考虑前舱的零部件布置，同时后悬长度需满足车 辆离去角的要求。根据要求及装载机的车型得装载机前悬距为417mm,后悬距332mm. 根据条件及要求选取纯电动轻型装载机为 CPD1.25 叉车，其技术参数及工作条件 如下： （1）CPD1.25 叉车的技术参数和工作条件 表 2.2 技术参数 额定起重量kg1250 载荷中心距mm500 最大起升高度mm3000 自由起升高度mm100300 门架倾角（前后）6/12 起升速度（满载）mm/s270540 最大行驶速度（满载）Km/h12-14 最大爬坡度（满载）%12-18 最小转弯半径mm1800 11 (2)工作条件： a.叉车型式：前叉车平衡重式 b.叉车支撑方式：四支点 c.叉车动力：蓄电池组 d.工作场所：仓库、车间 e.路面条件：硬路面 质量参数 a.装载机整备质量 现在设计开发的电动装载机是按照欧洲法规的装载机分类确定装载机整备质量， 并且在设计时要根据各总成、部件及整装载机的有关质量数据，并结合纯电动装载机 的结构特点尽量减轻装载机整备质量。 根据叉车设计手册查的其质量有关参数如下表 2.3 所示： 表 2.3 装载机自重 起重量/t12356 装载机自重/t2.03.44.57.58.5 根据装载机的起重量和上表的参数利用线性差值的方法算得装载机自重为2.35t。 b.装载机总质量 电动装载机的总质量是指整备质量加上货物以及乘员的质量后的总质量，电动装 载机总质量不仅对电动装载机的动力性和经济性有很大的影响，而且是悬架和制动系 统设计时的质量依据。 c. 装载机的轴荷分配 电动装载机的轴荷分配与动力蓄电池的布置存在很大的关系，在设计电动装载机 之时可初步选取前后轴端载荷分配比例。适合于交通运行条件且满足法规标准确定的 电动装载机整车部分目标参数。 2.3.2 重心计算 根据力学，可以用下式求得装载机的自重及重心: Ggi （2.2） Mx Xo G （2.3） 纯电动平动式轻型装载机设计 12 My Yo G （2.4） o Mz Z G （2.5） 表 2.4 轻型装载机各部件重量及重心 重心坐标（毫米）对坐标原点的距（公斤.毫米）部件名称重量 （公斤） g xiyizi =gi*xiMx=gi*yiMy Mz=gi*zi 货架及滑架150-360350-5400052500 门架200-2001000-40000200000 起升油缸及链条链 轮 100-200850-2000085000 油泵及电机547006003780032400 油箱607703054620018300 前轮及制动器1300250032500 前轮驱动装置2002602705200054000 后轮及制动装置8013704010960036800 倾斜油缸20110650264015600 转向器1011065030257150 制动操纵装置52756508752400 换向阀517548016005000 司机座103201000770010000 蓄电池组815800580652800473280 对重3651535540560400233600 车架38083040029050015200 棚架80450152036000121600 整车（空车）G=2664 =624Xo=571Yo Z0 =1665140Mx=1532130My Mz 其中: 装载机总重；M -所有横坐标上的力矩之和； x M 13 -装载机总体的重心横坐标； O X 所有纵坐标上的力矩之和；My -装载机总体的重心纵坐标； O Y 各部件选好型式并初步确定布置后，要确定各部件重量及重心位置，这主要参照 现有结构并辅以一些计算来进行。采用一个直角坐标系来标记各部分的重心位置，一 般以前轮着地点在装载机纵向对称平面上的投影点作为坐标原点 O，X 轴和 Y 轴方向 如图所示，将各部分的重量及重心列成表格，如表 2.4 所示： （a）满载轻型装载机重心 纯电动平动式轻型装载机设计 14 （b）空载轻型装载机重心 图 2-3 轻型装载机重心 以上是求轻型装载机自重重心，假设门架处于垂直位置。门架是可以前后倾斜的， 不同的门架位置，叉车自重中心稍有差别，但往往忽略不计的。在精确计算中最好能 分别计算门架垂直位置和门架最大后倾位置时的重心。 其中对重是特定的，也可以参照其他产品先选定一个数值。 可用上式求得轻型装载机的自重及重心： 1665140 =616.72 2700 Mx Xmm o G 1532130 567.46 2700 My Ymm o G 2.3.3 牵引计算 牵引阻力 轻型装载机行驶时必须克服各项阻力，主要包括摩擦阻力、坡道阻力、惯性阻力 三项。由于轻型装载机的车速较低，一般不考虑风阻。 （1）滚动摩擦阻力 ()cosFf QG f （2.6） 15 在坡度较小的情况下，可认为，则，其中为滚动阻力系cos1() f Ff QGf 数，轻型装载机一般工作在较好的路面条件下，取，计算得：0.02f 0.02 (1250023500) 1=720 f FN （2）坡道阻力 ()sin i FQG （2.7） 在坡度较小的情况下，可认为，则，其中为坡sintan() i FQG itani 度值，即坡度的百分比，该车的最大爬坡度为，计算得：18%i (1250023500) 18%6480 i FN （3）惯性阻力 由于轻型装载机的自重较大，车速较低，略去车轮、发动机飞轮等旋转部件的惯 性，或用简单的旋转质量加速系数 来考虑（一般可取） ，惯性阻力为1.1 / jvt FQGg dd （2.8） 假设额定加速度 2 /0.2/ vt addm s 计算得: 1.1 (1250023500)/10 0.2792 j FN 式中：G轻型装载机自重; Q额定起重量； 额定加速度。/ vt dd 牵引特性 （1）牵引力与速度 轻型装载机的牵引力由电机转矩通过传动系统传递到驱动 车轮上作用于地面： 0 / tegg FM i ir （2.9） 计算得 0 /=32 6.69 2.65 0.85/0.205=2352.7N eggt FM i ir 高 0 /=32 6.69 1.65 0.85/0.205=1464.6N eggt FM i ir 高 式中： 电动机额定转矩（） ； e MN m 主传动的速比； 0 i 变速器相应档位的速比； g i 纯电动平动式轻型装载机设计 16 传动系统的总效率，对于机械传动取；0.85 驱动车轮的滚动半径（） ，取为其自由半径的。 g rm97% 轻型装载机的行驶速度： 0 0.377/() geg vr ni i （2.10） 计算得： max0 0.377/()0.377 0.205 2000/ 6.69 1.6514/ geg vr ni ikm h min0 0.377/()0.377 0.205 2000/ 6.69 2.658.7/ geg vr ni ikm h 式中： 电机转速（） ；其他符号同前。 e n/ minr （2）爬坡能力估算 叉车的爬坡能力与电机的过载能力有关。可按下式计算电动机的最大转矩： max MM （2.11） 式中：电动机额定转矩M 转矩过载系数，对于质量好的窜激牵引电机。可取=4.8 4.8524 max Mkg m （3）最大爬坡度 满载时 max p if a GQ （2.12） 空载时 max p if a G （2.13） 满载时 5000 -0.02=0.122 3600 9.8 max = p if a GQ 空载时 17 5000 -0.02=0.197 2350 9.8 max = p if a G 计算得结果如下表 2.5 表 2.5 轻型装载机牵引参数 （N）Ff （N） i F（N） j F（N） t F （km/h）v （） max MN mia 72064807921464.62352.78.714240.1220.197 2.3.4 制动性能计算 （1）按制动力矩确定制动力 2 )()2 ) 3.6 = 2g s254 V GQ QG V P S 制 （ （ （2.14） 式中：制动力（作用在轮胎接地平面上） （kg） ； P 制 G叉车自重（kg） ； Q额定起升重量（kg） ； V满载最大运行速度（km/h） ； 旋转质量折算的制动距离取 1.2； 标准规定的制动距离，按日本标准 JISD60011976 规定：满载车速 S 10km/h，制动距离不大于 2.5 米，以提高主动要求，可参照日本标准计算。 478.35kgP 制 （2）按停坡核算制动力 叉车技术条件规定，无载停车状态，要求制动坡度 18%；满载停车状态，要 求制动坡度 12%，即 ， sin 1 PGa 制 10.18 1 atg （2.15） ， +sin 2 PG Qa 制 （） 10.12 2 atg （2.16） 代入得 纯电动平动式轻型装载机设计 18 。 416.3,428.9Pkg Pkg 制制 。 ,PPPP 制制制制 以 857.8 为选择依据。 （3）制动器装为车轮制动器，每个制动器的制动力矩为 0.5P rM k 制制 （2.17） 0.5 857.8 0.2565=110kg mM 制 2.3.5 机动性参数确定 （1）最小转弯半径：；1800 min Rmm （2）直角通道理论宽度；k1720mm （3）货垛间的宽度 (18001635)3435 minmin SRRmmmm （2.18） 2.3.6 稳定性计算 （1）纵向静稳定性计算 计算条件：满载，门架垂直，最大起升高度。 h+c 为货物重心高度，h 为最大起升高度，c 为载荷中心距，b 为前桥中心至货叉 垂直段前壁的水平距离。 整车的重心高度： () 0 GyQ Hc h GQ （2.19） 整车的重心水平距离： () 0 GxQ bc a GQ （2.20） 19 () 0 0.0920.04 () 0 GxQ bc a hGyQ Hc （2.21） 满足标准要求。 （2）纵向动稳定性计算 计算条件：满载运行，货叉起升 300 毫米，门架最大后倾。 门架后倾后货物的重心位置，与门架的联接点及倾角有关，其坐标（-a 1，h1） 可求出，然后求得整车合成重心的坐标（a，h） 。经过算得（-a 1，h1）为（- 678，868） 标准要求 （2.22） 01 0.18 01 GxQa a hGyQh 计算得： 01 0.950.18 01 GxQa a hGyQh 满足要求。 （3）横向静稳定性计算 计算条件：满载，最大起升高度，门架最大后倾。 先用作图或计算求出货物重心（-a2，h2）作图求得重心为（-190，3512） 整车重心高度 02 GyQh h GQ （2.23）整车重心水平距离 02 GxQa a GQ （2.24） e 近似为前后轮轮距的一半为 467.5mm 标准要求 0.06 e h 即 467.5 0.30.06 1546 纯电动平动式轻型装载机设计 20 满足横向稳定性。 （4）横向动稳定性计算 计算条件：无载，货叉起升 300 毫米，门架最大后倾。 这是整车重心即自重重心（x0，y0） ，重心至倾覆轴线的垂直距离为 e2=467.5mm。 标准要求 （2.25） 2 (1.51.1 )% 0 e V y 即 467.5 0.697(1.51.17.5) / 1000.225 671 满足条件。 式中：V-轻型装载机空载最大运行速度（公里/小时） （12-14km/h） 。 以上四式中稳定性计算都通过，保证了轻型装载机的稳定性。 2.3.7 轮胎选择 按照前后轮受压条件和轻型装载机行驶速度，选择实心轮胎： 前轮：型号：18x7-8/4.33R，断面宽度 B=155mm，外直径 D=446mm，自重 m=20.4kg。 后轮：型号：16x6-8/4.33R，断面宽度 B=142mm，外直径 D=410mm，自重 m=15.0kg。 性能：具有耐撕裂、耐疲劳、长距离重载下运行、减震、缓冲效果好、驾驶舒适 等特点。适用于各种性能和在各种环境下运行的工业车辆。 2.4 转向系设计 电动装载机的转向系统需要结构简单、成本低廉、易于安装等优点。在设计过程 中，不考虑轮胎的侧向偏离特性，满足如式（2.26）所示的转角间运动学和力学关系 的内外轮理想转角关系： cotcot K io L （2.26） 式中：外转向轮转角； o 21 内转向轮转角； i 两转向主销中心线与地面交点间的距离。K 其次，转向系的设计满足装载机的最小转弯半径尺寸与其内外转向轮在最大 min R 转角与、轴距及转向轮的转臂 等尺寸的关系，并符合如下公式： maxi maxo Lb 2 2 2 min sinsintan maxmaxmax LLKL RbKb oii （2.27） 为此电动装载机选用齿轮齿条式转向器并在齿条两侧装置转向横拉杆。在总布置 方式上采用整体式的转向梯形方式，转向器固定于前防火墙的加强板上并满足公式 (2.26) (2.27) 中的力学和运动学关系。 2.5 悬架设计 悬架是电动装载机上必不可少的总成之一，在结构上主要是将装载机的车身与车 轴弹性的连接起来。独立悬架中的麦克弗逊式悬架结构简单、质量轻、节约空间、制 造成本低等优点而被广泛应用，因此电动装载机前悬架采用此形式，而后悬架采用非 独立悬架，并且为了便于安装，将减振器和螺旋弹簧做成一体式的结构。在悬架的参 数选取上，依照传统汽车的设计方法即可。 2.6 制动系设计 电动装载机的制动系统同样由行车制动系和驻车制动系组成，因盘式制动器具有 结构简单、散热性好等优点，为此电动装载机前后制动器都选用盘式制动器。行车制 动采用电回馈制动和机械制动相结合的模式，当制动踏板发出制动信号时，一方面电 动机转变为发电机，实现制动能量回收，另一方面机械制动也起作用。 电动装载机制动的方式分为机械和电气两大类。制动方式考虑机械制动与电气制 动的结合，尽可能多的用回馈发电方式取代机械式制动。当电动装载机高速行驶时， 其电动机一般是在恒功率状态下运行，驱动力矩与装载机速度成反比。因此，恒功率 下电动机的转速越高，能量回收的效率越低。而电动装载机中低速运行时，由于制动 能量回收的力矩通常保持在负荷状态，所以制动能量回收能力随着装载机速的降低而 减小。通过能量回馈的作用，既可减少机械制动系统的损耗，又能提高整装载机能量 的使用效率，达到节约能源和提高续驶里程的目的。电动装载机在高速紧急制动之时， 电气回馈制动来不及发生作用，此时的制动力矩完全由机械制动装置提供，因此电动 纯电动平动式轻型装载机设计 22 装载机的机械制动强度设计不会因回馈制动的作用而有所降低。 电动装载机的前后轮制动系的控制不同于传统的装载机制动方式，需要采用新的 制动控制策略。根据总制动力的需求和驱动链上所提供的再生制动力的多少，确定制 动力的分配，而前后轮制动力的分配主要决定于前后轮的制动系数和再生制动系数。 23 第 3 章 纯电动轻型装载机动力传动系统的匹配 3.1 选取蓄电池和电动机类型 蓄电池作为电动装载机的能量源，是电动装载机的关键零部件之一。目前商用的 蓄电池主要有铅酸、镍氢、锂离子等电池。从蓄电池部分技术性能参数可知锂离子电 池具有优越的使用特性，其具有能量密度高、平均输出电压高、自放电小、没有