詹長書， 鄧名威， 李 涵， 于樂樂， 趙 云

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

研究與設(shè)計(jì)

電動(dòng)雪地摩托車的設(shè)計(jì)及性能分析

詹長書， 鄧名威， 李 涵， 于樂樂， 趙 云

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

我國東北地區(qū)以冰雪為特色的旅游業(yè)發(fā)展迅速，但市面上的雪地車已不適應(yīng)當(dāng)前旅游業(yè)的發(fā)展。為了改善目前雪地燃油車的性能，提高其騎行的舒適性和安全性，降低排放污染，設(shè)計(jì)了額定載重量100 kg、平均行駛速度13 km/h、最大速度15 km/h、最大爬坡度為0.23的電動(dòng)雪地摩托車。介紹了該雪地摩托車的車身結(jié)構(gòu)、工作原理、電路設(shè)計(jì)及制動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該款電動(dòng)雪地摩托車具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能環(huán)保、低溫下可穩(wěn)定工作的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于冬季寒冷的室外環(huán)境。

雪地；電動(dòng)摩托車；設(shè)計(jì)；性能

隨著生活水平的提高，人們除了注重健康以外，也開始注重娛樂和環(huán)保，因此雪地娛樂活動(dòng)開展得越來越廣泛。為了振興東北老工業(yè)基地，東北地區(qū)將大力發(fā)展以冰雪為特色的旅游業(yè)，因此對(duì)雪地娛樂設(shè)備的需求越來越大，尤其是2020年北京冬奧會(huì)的臨近，國家加大了冰雪運(yùn)動(dòng)的推廣力度，除了大力建設(shè)室外雪場外，還將建設(shè)室內(nèi)冰雪場。然而，目前東北地區(qū)的各個(gè)雪場主要采用燃油驅(qū)動(dòng)的設(shè)備作為娛樂項(xiàng)目的設(shè)備，其與電動(dòng)雪地摩托車相比，燃油車排放的尾氣不僅會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，而且燃油車使用過程中產(chǎn)生的溫室氣體還會(huì)使室內(nèi)溫度升高，不利于室內(nèi)冰雪場館的維護(hù)[1-2]。

1 電動(dòng)雪地摩托車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 摩托車的整體結(jié)構(gòu)

電動(dòng)雪地摩托車的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，其主要由電器和機(jī)械兩大部分組成。電器部分包括電機(jī)、電池、電動(dòng)車控制器、手把控制裝置、儀表及燈光等；機(jī)械部分包括雪地輪胎、腳剎、手剎、車架、轉(zhuǎn)向板等。

圖1 電動(dòng)雪地摩托車總體設(shè)計(jì)方案1.雪地輪胎；2.電機(jī)；3.腳剎；4.手把控制裝置；5.儀表及燈光；6.手剎；7.車架；8.前叉彈簧；9.轉(zhuǎn)向板；10.電動(dòng)車控制器；11.電池

1.2 摩托車的工作原理

圖2所示為電動(dòng)雪地摩托車的工作原理圖，摩托車運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手把將信號(hào)傳遞給電動(dòng)車控制器來控制輸入到電機(jī)的電壓大小，并以此來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制摩托車的速度。摩托車制動(dòng)時(shí)制動(dòng)裝置通過電動(dòng)車控制器將電機(jī)電路中斷，同時(shí)將信號(hào)傳遞給倒順裝置，倒順裝置通過繼電器使電動(dòng)車控制器實(shí)現(xiàn)摩托車電機(jī)電路的反接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)對(duì)電池的充電。

圖2 電動(dòng)雪地摩托車的工作原理

1.3 摩托車電器部分

(1)電動(dòng)車控制器：基于6管電動(dòng)車控制器，兼顧電池及電機(jī)的實(shí)際使用情況進(jìn)行綜合分析，在充分考慮蓄電池、控制器、電機(jī)三者之間關(guān)系的情況下，將它們作為一個(gè)整體來研究，并設(shè)計(jì)出理想的電動(dòng)車控制器[3]。

(2)電機(jī)：電機(jī)采用直流永磁同步電機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小、質(zhì)量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)[4]。

(3)電池：采用12AH 48V晶鹽電池，其具有以下技術(shù)特性：①循環(huán)次數(shù)≥800次；②比能量35～42 Wh/kg；③工作溫度范圍-40～+60℃，高溫性能突出、低溫性能卓越；④自放電率低，使用及維護(hù)成本低；⑤放電性能好，為深度放電，且無記憶效應(yīng)；⑥應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可應(yīng)用于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池、電動(dòng)自行車動(dòng)力電池、汽車啟動(dòng)電池、UPS電源、儲(chǔ)能電池等。

2 電動(dòng)雪地摩托車整車動(dòng)力性能計(jì)算

2.1 速度計(jì)算

摩托車行駛的動(dòng)態(tài)平衡方程式為[5]：

Ft=Ff+Fw+Fj+Fi

(1)式中：Ft為驅(qū)動(dòng)力(N)；Ff為運(yùn)動(dòng)阻力(N)；Fw為空氣阻力(N)；Fi為坡道阻力(N)；Fj為加速阻力(N)。

理想狀態(tài)下電動(dòng)雪地摩托車在平坦的路面上勻速行駛時(shí)，F(xiàn)j和Fi可不考慮。這時(shí)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為：

Ft=Ff+Fw

(2)

滾動(dòng)阻力為：

Ff1=G×f1

滑動(dòng)阻力為：

Ff2=G×f2

式中：Ff1為輪胎與雪地路面之間的滾動(dòng)摩擦力，f1為輪胎滾動(dòng)摩擦阻力系數(shù)，見表1[6]；G為摩托車的總重(N)；Ff2為滑雪板與雪地路面的滑動(dòng)摩擦力，f2為滑雪板滑動(dòng)摩擦阻力系數(shù)，見表2。

表1 輪胎與地面的附著系數(shù)

路面類型滾動(dòng)阻力系數(shù)泥濘路面0100～0250干砂0100～0300濕砂0060～0150結(jié)冰路面0015～0030雪地路面003～0050

表2 常見材料之間摩擦系數(shù)

材料摩擦副滾動(dòng)阻力系數(shù)橡膠橡膠05(靜)雪橇板雪006

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理[7]，空氣阻力可表示為：

(3)

式中：Cd為空氣阻力系數(shù)，通常取0.7；Va為行駛速度(km/h)；A為迎風(fēng)面積(m2)；d為空氣密度(kg/m3)，見表3。

表3 空氣密度

空氣溫度/℃干空氣密度/kg·m-3-201396-151368-101342-51317012935127

本設(shè)計(jì)選用的是直徑為12英寸的雪地輪胎，其半徑約為0.15 m，因此該電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)力可表示為：

(4)

Te=Tm×i1×i2×ηt

(5)

式中：Tm為雪地電動(dòng)摩托車的電機(jī)輸出扭矩(N·m)；Te為傳到驅(qū)動(dòng)輪上的扭矩(N·m)；r為驅(qū)動(dòng)輪半徑(m)；i1為主減速比；i2為鏈傳動(dòng)比；ηt為機(jī)械傳動(dòng)效率。

根據(jù)所選用電機(jī)的扭矩特性[8]，不同工況下所需的扭矩和功率為行駛速度的函數(shù)，其取決于不同車速行駛時(shí)受到的阻力。由于所設(shè)計(jì)的電動(dòng)雪地摩托車速度變化范圍不大，可假設(shè)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)功率不變， 這時(shí)則有公式：

(6)

(7)

(8)

式中：Pm為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩(kW)；i1為主減速比，i1=4；i2為鏈傳動(dòng)比，i2=3；ηt為機(jī)械傳動(dòng)效率[9]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常取0.97。則驅(qū)動(dòng)力可表示為：

Ft=77.6Te
V=0.004 712 5×n(km/h)

式中：V為雪地電動(dòng)摩托車車速(km/h)，電動(dòng)雪地摩托車所選電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性見表4。

表4 電機(jī)主要參數(shù)

額定功率/W額定電壓/V額定轉(zhuǎn)速/r·min-1額定扭矩/N·m最高轉(zhuǎn)速/r·min-1350482650123500

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可得該電動(dòng)雪地摩托車的最高車速約為15.5 km/h，穩(wěn)定車速為12.4 km/h。

由于電動(dòng)雪地摩托車車速相對(duì)較低，因此行駛過程中可視Ff為定值，空氣阻力可取平均值來代替，加速度也可近似為勻加速[10]，這時(shí)雪地電動(dòng)摩托車的加速度可表示為：

(9)

式中：m為人和小車的總質(zhì)量(kg)。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(9)可得a加=0.618 9 m/s2；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式Vmax=V0+at，代入相關(guān)數(shù)據(jù)得加速時(shí)間為6.96 s。

2.2 爬坡能力計(jì)算[11]

有效功率為：

(10)

根據(jù)式(10)可推導(dǎo)出爬坡度i為：

(11)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(11)可得最大爬坡度i=23%。

2.3 制動(dòng)性能計(jì)算[12]

Fxbmax=Fz1f

(12)

(13)

行駛過程中需要制動(dòng)時(shí)[13]，摩托車不僅要受到車輪與地面之間的滾動(dòng)摩擦力的作用[14]，還要受到滑雪板與地面之間的摩擦阻力作用。車輪在雪地上的峰值附著系數(shù)為0.2，滑動(dòng)附著系數(shù)為0.15，滑雪板與雪面動(dòng)摩擦系數(shù)見表2。根據(jù)車輛重心的分布特性，滑雪板和車輪各承受一半的載荷，將式(11)、式(12)聯(lián)立可得制動(dòng)減速度a為1.274 m/s2。

當(dāng)雪地摩托車在最高車速15.5 km/h時(shí)進(jìn)行制動(dòng)，其制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)距離的計(jì)算公式為：

(14)

(15)

式中：V為雪地電動(dòng)摩托車末速度(V=0)；V0為雪地電動(dòng)摩托車初速度(km/h)；t制動(dòng)為制動(dòng)時(shí)間(s)；S制動(dòng)為制動(dòng)距離(m)。

根據(jù)式(14)、式(15)可計(jì)算出制動(dòng)時(shí)間為3.38 s，制動(dòng)距離為7.27 m。

2.4 續(xù)航能力計(jì)算

電池基本參數(shù)見表5。

表5 電池基本參數(shù)

參數(shù)數(shù)值蓄電池額定電壓/V48蓄電池額定容量/A·h12蓄電池平均放電效率ηq08蓄電池組總?cè)萘縀b/kW·h057電機(jī)及其控制器效率ηmc09蓄電池質(zhì)量/kg12

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算出電動(dòng)雪地摩托車的續(xù)航里程[15](按照蓄電池組總能量放出80%計(jì)算)，具體公式為：

(16)

式中：Eb為電池容量；ηt為機(jī)械傳動(dòng)效率；ηq為蓄電池平均放電效率；ηmc為電機(jī)及控制器效率；蓄電池組可放出總能量的90%。

將表5中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(16)即可得出續(xù)航里程為28 250 m。

3 結(jié)束語

對(duì)電動(dòng)雪地摩托車行駛的動(dòng)力性、制動(dòng)性及續(xù)航能力進(jìn)行了計(jì)算，并設(shè)計(jì)出了摩托車的內(nèi)部電路及車身結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是采用了電動(dòng)系統(tǒng)，通過電路的設(shè)計(jì)可使設(shè)備具有能量再回收功能，蓄電池在保證摩托車?yán)m(xù)航里程的同時(shí)也保證了雪地摩托車動(dòng)力性能。與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備相比，該設(shè)備更加節(jié)能環(huán)保；車身采用了中軸結(jié)構(gòu)[16]，舍去了避振器，這在很大程度上也減輕了自身重量，制動(dòng)方面增加了腳剎功能，大大提高了雪地摩托車的制動(dòng)性能[17-20]；降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，而且維修保養(yǎng)更加方便。

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(責(zé)任編輯 張雅芳)

Design and Performance Analysis of Electric Snowmobile

ZHAN Chang-shu， DENG Ming-wei， LI Han， YU Le-le， ZHAO Yun

(College of Transportation，Northeast Forestry University，Harbin Heilongjiang 150040，China)

The tourism industry with ice and snow as the characteristics in Northeast China is developing rapidly.However，the snowmobiles available on the market are not suitable for the development of the current tourism industry.In order to improve the performance of current fuel-powered snow vehicles，their driving comfort and safety and reduce emission pollution，the electric snowmobiles with rated load-carrying capacity of 100 kg，average driving speed of 13 km/h，maximum speed of 15 km/h and the maximum gradability of 0.23 are designed.The vehicle body structure，working principle，circuit design and brake system of the snowmobile are introduced.the experimental result shows that the snowmobile features a simple structure，energy conservation，environmental protection and stable operation at low temperature and can be extensively used in the outdoor environment in cold winter.

snowfield；electric motorcycle；design；performance

2017-04-02

東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新型項(xiàng)目(201610225002)

詹長書(1970-)，男，吉林洮南人，東北林業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事載運(yùn)工具運(yùn)用工程的創(chuàng)新研究， E-mail：zhchsh3@sohu.com。

G872

A

2095-2953(2017)09-0035-04