盛長(zhǎng)超 周曉萍

摘要：針對(duì)某些客車(chē)蓄電池托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)笨重、靈活性差，導(dǎo)致安裝和維修不方便的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款可抽拉式蓄電池托架。該托架主要由異形槽鋼、三節(jié)式滑軌、內(nèi)托盤(pán)等部件組成，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yàn)證優(yōu)化后托架能否滿足使用要求，利用CATIA建立三維模型并導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工況要求。

關(guān)鍵詞：蓄電池托架；抽拉式；三維模型；有限元分析

中圖分類號(hào)：TH122? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）12-0056-04

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

0? ? 引言

客車(chē)上的蓄電池作為車(chē)輛重要的供電設(shè)備，能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、點(diǎn)火系統(tǒng)提供電源，同時(shí)為汽車(chē)用電器提供穩(wěn)定的直流電源，保證汽車(chē)的電子器件正常工作。另外，客車(chē)蓄電池也是一個(gè)巨大的“電容器”，它可以起到穩(wěn)定發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電的浪涌電壓的作用，從而在客車(chē)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使電壓穩(wěn)定，更好地保護(hù)客車(chē)的用電器[1-2]。作為固定和放置蓄電池的托架，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣不僅影響到客車(chē)的正常運(yùn)行，還直接影響到安裝和使用的方便性。

據(jù)實(shí)地考察，現(xiàn)有蓄電池托架結(jié)構(gòu)一般分為抽拉式和不可抽拉式，主要用于客車(chē)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(jié)構(gòu)主要由軸承組成。此結(jié)構(gòu)抽拉距離有限，且抽拉力大，實(shí)用性能較差。不可抽拉式托盤(pán)在電瓶艙體內(nèi)固定后不可移動(dòng)，間接性縮小了艙內(nèi)電氣部件的檢修空間，給后續(xù)維護(hù)帶來(lái)不便。另外，現(xiàn)有蓄電池托架安裝結(jié)構(gòu)分為螺栓固定和焊接固定。螺栓固定時(shí)螺栓外露，位于托架外側(cè)；采用焊接固定方式時(shí)，整個(gè)托盤(pán)使用中不可拆卸，靈活性差，后續(xù)檢修不便，且該固定方式焊點(diǎn)外露，隨著車(chē)輛的顛簸和雨水泥土的沖刷，焊接位置會(huì)出現(xiàn)銹蝕和開(kāi)裂現(xiàn)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(duì)蓄電池托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)一款可抽拉式蓄電池托架，抽拉過(guò)程主要靠三節(jié)式滑軌實(shí)現(xiàn)，抽拉距離長(zhǎng)；利用CATIA建立三維模型，并將其導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析，旨在驗(yàn)證優(yōu)化后的蓄電池托架有足夠的強(qiáng)度，能夠滿足客車(chē)工況的使用要求。

1? ? 總體結(jié)構(gòu)和使用說(shuō)明

1.1? ? 總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)的可抽拉式蓄電池托架主要由異形槽鋼、三節(jié)式滑軌、內(nèi)托盤(pán)、限位桿、固定銷(xiāo)等部件組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

兩個(gè)限位桿4直接焊接在內(nèi)托盤(pán)3的中間位置，高度由蓄電池的高度決定。限位壓鐵2通過(guò)螺母固定的方式擰緊在限位桿4上，以上兩個(gè)部件對(duì)蓄電池都起到固定作用，防止車(chē)輛在行駛過(guò)程中蓄電池晃動(dòng)而帶來(lái)的車(chē)輛故障問(wèn)題。內(nèi)托盤(pán)3以螺栓連接的方式直接與三節(jié)式滑軌6相連，螺栓規(guī)格選擇M6×1.5，為保證強(qiáng)度要求，每側(cè)使用6個(gè)螺栓。為保證抽拉過(guò)程中的流暢性，螺栓只與三節(jié)式滑軌6中最內(nèi)側(cè)一節(jié)相連。三節(jié)式滑軌6直接從廠家購(gòu)買(mǎi)，承載能力達(dá)250 kg，拉伸長(zhǎng)度總計(jì)560 mm，滑軌最外側(cè)一層以螺栓連接的方式固定在異形槽鋼1上，整個(gè)可抽拉式蓄電池托架安裝完成。為方便內(nèi)托盤(pán)的抽拉與固定，在托盤(pán)的最前端用固定銷(xiāo)5將內(nèi)托盤(pán)3和異形槽鋼1連接在一起，固定銷(xiāo)5結(jié)構(gòu)類似于M8螺栓。

1.2? ? 使用說(shuō)明

將蓄電池放置在托架之前，首先需要將托架與客車(chē)車(chē)架進(jìn)行固定。異形槽鋼的下折邊開(kāi)設(shè)三條長(zhǎng)條孔，按照每個(gè)長(zhǎng)條孔的中間位置在車(chē)架的支撐部件上提前預(yù)埋螺母。安裝托架時(shí)，直接將托架放在電瓶艙體所布置的位置上，將內(nèi)托盤(pán)拉出后，異形槽鋼的長(zhǎng)條孔便顯露出來(lái)，每側(cè)直接使用3個(gè)M8螺栓連接即可，連接后的示意圖如圖2所示。預(yù)埋螺母的好處是在擰緊連接螺栓2時(shí)，不需要使用其他工具固定螺母避免轉(zhuǎn)動(dòng)，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(nèi)托盤(pán)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(nèi)的效果圖如圖3所示。

當(dāng)放置蓄電池、蓄電池接線或后期維修時(shí)，首先將圖1中的固定銷(xiāo)5擰下，拉出內(nèi)托盤(pán)，將蓄電池放入即可。內(nèi)托盤(pán)拉出后的效果如圖4所示。

內(nèi)托盤(pán)拉出時(shí)，滑軌可伸出距離L=560 mm，此時(shí)內(nèi)托盤(pán)已移動(dòng)到電瓶艙體外，放置蓄電池時(shí)周?chē)臻g大，因此大大提高了放置蓄電池時(shí)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(jìn)行壓緊，固定完畢。放置完成后，直接將內(nèi)托盤(pán)推回原位置，再使用固定銷(xiāo)將內(nèi)托盤(pán)固定即可。

綜上整個(gè)蓄電池托架結(jié)構(gòu)及安裝使用過(guò)程，螺栓連接固定的方式一方面可以避免長(zhǎng)時(shí)間使用后連接處出現(xiàn)銹蝕和開(kāi)裂的現(xiàn)象；另一方面，拆卸和安裝靈活，打破了傳統(tǒng)的固定到底的方式。抽拉式結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池拉出艙體后進(jìn)行安裝、接線和檢修等工作，大大提升了使用便利性和實(shí)用性。

2? ? 主要零部件設(shè)計(jì)

2.1? ? 內(nèi)托盤(pán)

內(nèi)托盤(pán)的主要作用是放置和固定蓄電池，客車(chē)上常用的兩種型號(hào)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(zhǎng)×寬×高=510 mm×268 mm×210 mm；12 V/195 Ah的蓄電池外形尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=516 mm×253 mm×212 mm。為提高所設(shè)計(jì)的蓄電池托架通用性，同時(shí)滿足以上兩種型號(hào)蓄電池的使用，綜合兩種蓄電池的尺寸進(jìn)行內(nèi)托盤(pán)的設(shè)計(jì)。每輛客車(chē)需要放置兩塊蓄電池，考慮到放置時(shí)的實(shí)際情況，蓄電池與周?chē)考?yīng)留有一定間隙，最終確定內(nèi)托盤(pán)的有效尺寸為：長(zhǎng)×寬=520 mm×550 mm。考慮到輕量化和防止托盤(pán)外竄的因素，內(nèi)托盤(pán)的高度設(shè)置為40 mm[5]。內(nèi)托盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

根據(jù)蓄電池放置的位置，內(nèi)托盤(pán)中間去除四塊四邊形的板料，以降低托盤(pán)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。內(nèi)托盤(pán)的最前端設(shè)計(jì)成槽鋼形狀，與連接部件焊接在一起，并在槽鋼上側(cè)兩端開(kāi)設(shè)固定銷(xiāo)孔，用于內(nèi)托盤(pán)與異形槽鋼的固定。另外，當(dāng)需要拉動(dòng)內(nèi)托盤(pán)時(shí)，直接拉動(dòng)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(gè)蓄電池托架的最外層結(jié)構(gòu)，直接與車(chē)架上的支撐部件連接固定，其結(jié)構(gòu)直接決定了整個(gè)蓄電池托架的穩(wěn)定性。選擇槽鋼的目的一方面是收納三節(jié)式滑軌，減少正常情況下滑軌的暴露，另一方面是方便與車(chē)架支承部件相連。為方便與車(chē)架連接過(guò)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(dāng)托架安裝或拆卸時(shí)，工具能夠以接近垂直的方式對(duì)螺栓施加扭矩。異形槽鋼的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shè)置固定銷(xiāo)孔2，通過(guò)固定銷(xiāo)，將內(nèi)托盤(pán)與異形槽鋼進(jìn)行固定。下折邊開(kāi)設(shè)三條長(zhǎng)條孔1是為了消除車(chē)架上預(yù)埋螺母的位置誤差，避免出現(xiàn)孔對(duì)不上螺母的問(wèn)題。

3? ? 有限元分析

3.1? ? 材料設(shè)置

按照實(shí)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?cè)绫?所示[6]。

3.2? ? 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

按照設(shè)計(jì)的相關(guān)尺寸利用CATIA繪制各個(gè)部件的三維模型，將各個(gè)部件裝配好之后保存為.x_t格式，并將其導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算分析。ANSYS是一款功能十分強(qiáng)大的仿真軟件，能夠根據(jù)設(shè)置的邊界條件模擬蓄電池托架真實(shí)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(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好材料特性后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為更精確地計(jì)算蓄電池托架使用過(guò)程中的受力和變形情況，網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm。網(wǎng)格劃分后生成768 382個(gè)節(jié)點(diǎn)，263 442個(gè)單元。得到的網(wǎng)格劃分圖如圖7所示。

3.3? ? 施加載荷求解

整個(gè)蓄電池托架所受外力主要來(lái)自于蓄電池的重力，根據(jù)蓄電池的相關(guān)參數(shù)，單個(gè)蓄電池重量約為55 kg，兩個(gè)蓄電池重量計(jì)為110 kg。除此之外，在顛簸的道路上、車(chē)輛加速或減速過(guò)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(shù)按照真實(shí)工況進(jìn)行添加設(shè)置[8]。通過(guò)系統(tǒng)的仿真分析，得到總變形圖和等效應(yīng)力圖，如圖8、圖9所示。

通過(guò)分析圖8蓄電池托架總變形圖可知，最大變形區(qū)位于內(nèi)托盤(pán)的中間位置，最大變形量為6.8 mm。此位置離支撐端最遠(yuǎn)，所受彎矩最大，根據(jù)彎曲變形的撓度計(jì)算方法[6]，可知變形量也最大。內(nèi)托盤(pán)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(nèi)托盤(pán)中間向兩端顏色呈線性變化，說(shuō)明變形量也呈線性變化，這與彎矩的大小相對(duì)應(yīng)。通過(guò)分析圖9蓄電池托架等效應(yīng)力圖可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)托盤(pán)中間位置的支撐板處，最大等效應(yīng)力約為186 MPa，內(nèi)托盤(pán)所使用的Q235鋼板材料最大屈服極限為235 MPa。通過(guò)等效應(yīng)力圖可知，蓄電池托架的最大等效應(yīng)力值小于材料的最大屈服極限，該托架滿足客車(chē)工況的使用要求。

4? ? 結(jié)論

針對(duì)某些客車(chē)蓄電池托架結(jié)構(gòu)靈活性差，給安裝和后期維修帶來(lái)極大不便的問(wèn)題，本文對(duì)蓄電池托架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)：

（1）采用三節(jié)式滑軌的方式實(shí)現(xiàn)客車(chē)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(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)螺栓固定整個(gè)蓄電池托架，減少因焊接帶來(lái)的銹蝕和靈活性差的問(wèn)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(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中進(jìn)行模擬仿真，設(shè)置真實(shí)受力和路況情況，由得到的等效應(yīng)力圖可知蓄電池托架所受最大應(yīng)力為186 MPa，小于材料的最大屈服極限235 MPa，該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工況使用要求。

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收稿日期：2023-03-07

作者簡(jiǎn)介：盛長(zhǎng)超（1990—），男，山東聊城人，助教，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析工作。