电动叉车开放式车身设计及验证方法研究.pdf

设 计 与 研 究15电动叉车开放式车身设计及验证方法研究葛立银胡祝田胡春阳（安徽合力股份有限公司，合肥 230601）摘要：为实现不同场合下电动叉车电池的快捷、高效更换，适应叉车电动化发展趋势，对开放式车身设计理念、整体布局及组成结构进行了详细说明。利用 ANSYS Workbench 对车身进行计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）分析，优化处理应力集中点。通过台架疲劳试验和路试强化试验，对开放式车身可靠性进行了充分论证，可为类似产品开发提供重要依据。平衡重式叉车开放式车身结构设计可实现电池快捷更换，在降低工人劳动强度的同时，适应不同客户的现场实际条件，为电动叉车在不同场景的应用提供了保障。关键词：电动叉车；车身设计；验证方法Research on the Design and Verification Method of Open Frame of Electric Balanced ForkliftGE Liyin,HU Zhutian,HU Chunyang(Anhui Heli Co.,Ltd.,Hefei 230601)Abstract:In order to achieve quick and efficient replacement of batteries for electric forklifts in different situations and adapt to the development trend of forklift electrification,the article provides a detailed explanation of the open body design concept,overall layout,and composition structure;After conducting Computer Aided Engineering(CAE)analysis on the vehicle body using ANSYS Workbench,the corresponding stress concentration points were optimized;The reliability of open body has been fully demonstrated through bench fatigue tests and road test strengthening tests,providing an important basis for the development of similar products.The open body structure design of a balanced forklift allows for quick battery replacement,reducing labor intensity for workers while also adapting to different customer site conditions,providing guarantee for the application of electric forklifts in different scenarios.Keywords:electric forklift;frame design;verification method世界工业车辆协会发布的数据显示，2016 年世界工业车辆总销量为 115.3 万辆，我国叉车销量约26.86 万辆，占世界总销量的 23%，年复合增速 15%左右1。近年来，随着动力电池技术瓶颈的突破，电动叉车凭借其操作简单、灵活性好、零排放和噪声低等优点，获得了越来越广泛的使用2。电动叉车蓄电池安装在前后桥之间或者后桥之上3，更换方法主要分为吊装方式和侧拉方式，效率低，成本高4。电池吊装方式即利用行车、电池专用吊具将电池从整车吊出，更换方式受限于客户使用现场条件。电池侧拉方式即在叉车车架上装配滚子装置，将电池置于滚子上方，利用外置托架与车架对接，将电池从整车上侧拉出来，再利用托盘车或叉车将外置托架运离叉车车身。电池侧拉过程中，外置托架与车架对接操作对操作人员熟练度和用户场地平整度有一定要求，否则很难将电池平顺侧拉出车架。为解决不同使用客户存在的电池更换、维保等问题，文章对平衡重式电动车电池更换侧取式车架方案设计、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）分析、台架试验方法及实车路试强化验证进行深入研究，以实现不同客户快速、高效地更换电池。1开放式车架车身设计对于传统电动平衡重式车身，电池仓左侧通常为液压油箱，右侧整面为纵梁，前、后侧分别为蓄电池前、后板，底部为蓄电池支撑板，上端为敞开式设计以方便电池吊装。对于开放式车架车身，设计构成主要部分包括固定前桥的扇形板、前轮挡泥板、起升电机（系统）仓、电池仓、电池仓前/后板、纵梁以及底板等5。如图 1 所示，某开放式车架车身构成中扇形板分为左侧、右侧两片。左扇形板用于固定左驱动轮边减速器，右扇形板用于固定右驱动轮边减速器。蓄电池仓前板、底板、左/右扇形板合围区域设计成泵起升电机仓，起升电机在此处可以使泵从油箱吸油至多路阀处管路最短，以最大限度减少管路能耗损失。车身左侧为液压油箱，油箱外壁板的大面积设计有利于液压油散热。左侧油箱、电池前板、电池后板及右侧合围区域设计形成电池仓，电池仓下端设有电池放置板。根据整车设计性能参数和能耗计算，评估车型电池容量选型大小，再结合电池单体大小和电池包布置方式设计车身电池仓大小。电池仓右侧下端为开放式设计，在实车工作时，可通过托盘车或叉车从下端取出电池，方便现 代 制 造 技 术 与 装 备162023 年第 7 期总第 320 期快捷。右侧纵梁横跨蓄电池前板和后板，保证电池仓大小不变形及整个车身可靠。蓄电池后板右侧设有电池锁紧装置，以确保整车工作时电池固定可靠。车身前端两侧设有左、右挡泥板，防止行驶过程中轮胎带动路面碎石等异物甩出造成伤害，同时挡泥板在适当位置可减小整车车身应力集中的程度。1.扇形板；2.挡泥板；3.底板；4.电池前板；5.纵梁；6.电池；7.电池后板；8.电池仓；9.起升电机仓。图 1某车型开放式车身构成2电动平衡重式叉车车身受力及 CAE 分析分析电动平衡重式叉车车身时，考虑的工况包括满载行驶、空载行驶、满载牵引以及车辆转弯等。其中，电动叉车满载行驶时，由于动载荷的影响，车架受力最大，变形最严重。通常根据受力分析和受力等效作用原理，将作用在车架结构上的所有的力简化6。文章选取某车型使用 ANSYS Workbench 进行实际受力分析，分析满载行驶、空载行驶、满载牵引以及车辆转弯 4 种工况，依次进行几何简化、材料定义、划分网格、施加约束与载荷，最后求解分析并通过结果后处理得到应力云图结果7。分析每种工况时，需要对前轮和转向桥中心点进行约束。所有工况下，车身的受力主要包括门架对倾斜油缸支座拉力/推力、门架支承轴作用力、电池重力、平衡重重力、护顶架重力、牵引力以及货物重力等。对于每一种工况，需要施加该工况下对应的载荷，且乘以该工况下考虑的动载系数。动载系数根据以往相关车型的应力测试确定。分析结果表明，满载行驶工况、满载牵引工况和转弯工况 3 种工况下车身应力较大，对应的约束与加载模型及应力云图分别如图 2、图 3 和图 4 所示。这3 种分析工况下，车架都在前方连接板左下方的圆弧处产生了较大应力，分别为 329 MPa、317 MPa 和281 MPa。连接板使用的材料为 Q355，屈服强度为355 MPa，因此 3 种工况对应的安全系数分别为 1.08、1.12 和 1.26。可以看出，设计的开放式车身结构应力较小，强度满足工况需求。（a）约束与加载模型（b）应力云图图 2满载行驶工况的约束与加载模型及应力云图（a）约束与加载模型设 计 与 研 究17（b）应力云图图 3满载牵引工况的约束与加载模型及应力云图（a）约束与加载模型（b）应力云图图 4转弯工况的约束与加载模型及应力云图3开放式车身强度验证方法车身强度验证通常包括台架耐久试验和路试强化试验。开放式车身台架耐久性试验台以模拟整机实际受力状态进行安装，车架位置、平衡重、转向桥、轮胎等实车相同。等效设计蓄电池质量试块，驱动轮支撑工装、力加载工装，其中力加载在设计车型载荷中心处加载，模拟装卸作业过程载荷。图 5 为某车型开放式车身台架耐久性验证。在经过 200 万次弯曲疲劳试验后，车架无裂纹及明显变形现象，与 CAE 分析结果一致。最后，通过实际装车进行实车路试强化试验，均未发现车身有异常现象。图 5某开放式车身台架测试4结语结合平衡重式叉车构造，提出开放式车身车架正向设计理念。设计的车身方案及布局统筹兼顾整车部件散热方式、降低管路损失、电池固定方式以及后市场维护便捷性等。结合整车受力形式和典型应用工况，利用 ANSYS Workbench 对车身进行 CAE 分析，优化处理应力集中点。利用台架进行耐久性试验模拟分析，并在后续实车上进行路试强化试验，验证了开放式车身结构的可靠性。平衡重式叉车开放式车身结构设计可实现电池快捷更换，为电动叉车在不同场景中的应用提供保障。参考文献1 蒋经强.HL 叉车公司国际市场营销策略研究 D.合肥：安徽大学，2019.2 吉祥.电动叉车动力锂电池管理系统设计与研究 D.长沙：湖南大学，2019.3 孙慧，王春利.平衡重式叉车改造后稳定性分析与研究 J.物流技术，2016（12）：85-87.4 赵勇生.电动平衡重式叉车新型转向机构优化和电池更换技术研究 D.南宁：广西大学，2014.5 葛 立 银.一 种 侧 铲 式 蓄 电 池 平 衡 重 式 叉 车 车 架：202020170689.3P.2020-02-14.6 刘美红.某型 2T 电动叉车总体设计及关键结构的有限元分析 D.西安：长安大学，2016.7 许进峰.ANSYS Workbench 2020 完全自学一本通 M.北京：电子工业出版社，2020.