陶 李
比亚迪汽车工业有限公司 广东深圳 518118
摘要：本文介绍了移动式自动洗车机的总体机械结构设计方案，提出了自动洗车机设计方案中的主要系统机构。以侧刷机构为例，对其主要部件的参数选择和设计进行了详细说明。
0引言
自动洗车机根据结构特点又分固定式洗车机和移动式洗车机。固定式洗车机常用与高铁、地铁、单轨，车辆编组多，采用洗车机固定，车辆通过式清洗，移动式洗车机运用于中、小运量列车，编组少，车辆总尺寸短，车辆制动后，洗车机来回往复清洗。
1移动式洗车机的总体方案设计
自动洗车机主要包括走行机构、侧刷机构、顶刷机构、水供给喷洒系统、洗涤剂供给系统、污水循环处理系统、吹扫除水机构、蒙皮、控制系统及摄像监控系统组成。通过PLC去控制减速电机，驱动走行台车、侧刷机构、顶刷机构前后、左右、上下的移动，PLC控制减速电机，驱动侧刷、顶刷刷杆的旋转进行清洗工作。
1.自动洗车机 2.顶刷 3.侧刷
图1 自动洗车机外形示意图
2移动式洗车机侧刷设计
2.1侧刷结构方案
侧刷有三种工作状态，一是停机状态即侧刷移动至车辆设备限界以外，二是侧刷洗工作状态即侧刷移动至靠近车辆侧面保持稳定，毛刷旋转刷洗车辆侧面，三是洗车机移动至车辆车头部位，侧刷继续移动刷洗车头部分区域。根据上述分析侧刷机构主要是由以下部分来组成：走行梁、侧刷走行台车、毛刷、齿条，走行梁上布置两个走行台车。走行梁安装在走行机构侧框架上。
2.2走行梁设计
走行梁选用冷拔异型矩形钢管，材料Q235，校核时考虑极限工况，两个侧刷走行台车均移动至梁中心位置，如图2。
图2 弯矩示意图
式（1）中M为走行梁C点弯矩即两台车所在点，P为集中载荷，设计时考虑安全系数，L为走行梁长度的一半。
根据弯矩和异形钢管的抗弯截面模数计算出选型钢管弯曲应力，小于Q235钢许用弯曲应力158Mpa，走行梁顶面安装耐磨板，便于侧刷台车走行轮长期轮动磨损后进行更换，走行梁顶面安装齿条，底面开减重孔，减重孔方便安装齿条和传感器。
2.3侧刷走行台车方案设计
侧刷走行台车分三个组件，一是台车上部组件由走行减速电机、结构固定架、走行轮组件、齿轮轴组件、防倾轮轴组件组成，走行轮组件为2个走形轮轴各带2个单凸缘车轮，凸缘车轮可对台车走行方向进行限位。二是台车下部组件由刷轴旋转减速电机、固定架、转动组件组成。三是刷杆。三个组件通过螺栓栓接组成走行台车。
2.4走行轮轴设计
两根走行轮承载整个侧刷走行台车重量，台车设计重量含减速电机和带水毛刷考虑安全系数约600kg，故每根轴上两固定端受合力300kg，计算轴上最大弯矩117.75N.m，选用40Cr材料，根据材料许用弯曲应力计算最小轴径20.59mm，设计25mm光轴，切应力校核远小于材料许用切应力。
2.5走行驱动减速电机参数选择
台车是通过钢轮在冷拉钢板滚动，定义Fs为滑动摩擦力，Fr为滚动摩擦力。钢与钢的静滑动摩擦系数是0.15，动滑动摩擦系数是0.05。侧刷走行机构运动时，主要受到的是摩擦阻力，包括车轮轴承内的摩擦阻力、车轮滚动摩擦阻力，其综合摩擦力可表达为
式中为总摩擦阻力，N为轮压，D为车轮直径，d为车轮轴直径，β为附加摩擦阻力系数，f为车轮滚动摩擦系数，计算得到总摩擦阻力为0.042kN，设计台车运行速度为0.2m/s，加速度过程为1s，计算得到惯性力为0.12kN，需要合力为0.162kN，根据齿轮分度圆直径计算得到所需驱动力矩为6.48N.m，减速电机额定输出转矩选12N.m ,根据运行速度计算得齿轮转速，与驱动力矩一同带入计算得到功率，即：
计算后选择0.25kW减速电机。
2.6齿轮与齿轮轴计算
齿轮轴材料选用调质45钢，通过输出转矩和调质45钢轴的许用转应力，粗算最小轴径为15mm，根据最小轴径设计齿轮轴，并校核齿轮轴危险截面，计算水平面弯矩和垂直面弯矩和总弯矩，再根据总弯矩、校正系数、危险截面处抗弯截面系数，即：
计算得到弯曲应力强度，小于45调质钢的许用弯曲应力强度。再根据危险截面上的弯曲应力、扭转切应力、材料敏性系数、应力集中系数、碳钢特性系数、抗弯截面系数、抗扭截面系数计算安全系数精确校核轴的疲劳强度。
初选直齿圆柱齿轮，20°压力角，材料45调质钢，齿面硬度240HBS，齿数24，7级精度，按齿面接触疲劳强度设计分度圆直径和模数，按齿根弯曲疲劳强度校核，选型模数2，齿数40，分度圆直径80mm的45调质钢直齿圆柱齿轮。
2.7刷轴旋转减速电机参数选择
根据动量定理，当提高转速，能获得更大毛刷作用力，有利于清洗效果，但刷组转速越高，需要的驱动功率也越大，能耗也对应上升，且过高的转速产生的离心力将增加刷毛与车体表面的接触力，从而对车体表面涂料产生不利影响，转速过小，离心力不够，刷毛旋转无法展平，作用力有限，清洗效果不佳，根据实验和经验一般控制毛刷的线速度在v=7~10m/s。设计毛刷旋转展开后直径1200mm，选定电机转速1400，计算得到毛刷角速度约12rad/s。电机的功率选择主要由清洗力来决定，将刷组简化为一个刚体进行计算，计算公式为：
式中F为清洗阻力，根据摩擦比例系数和毛刷与清洗面的接触面积计算，毛刷与清洗面的接触面积由毛刷吃毛量计算所得，在角速度一定的情况下，摩擦力做工与毛刷接触前后转动惯量变化成正比，吃毛量的大小影响着转动惯量变化，根据实验和经验得到吃毛量在100~150mm之间清洗效果较好，R为毛刷旋转半径，为角速度，计算后选型4kW减速电机。
3结论
根据所设计的结构特点，侧刷运行灵活稳定，且不会因洗车环境潮湿出现启动、制动台车打滑现象，利用PLC精确控制侧刷台车走行位置，工作状态吃毛量和停机状态停机位精确，不侵入车辆设备限界。
4参考文献
【1】濮良贵. 机械设计［M］ . 北京：高等教育出版社，2007.
【2】叶元烈. 机械现代设计方法学. 中国计量出版社，2000
【3】林述温主编，机电装备设计，机械工业出版社，2002.1
论文作者:陶李
论文发表刊物:《防护工程》2019年13期
论文发表时间:2019/11/13
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