CN115716405A - 一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构 - Google Patents

Abstract

一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，包括车架、设在车架上且于龙门架前方的第一电池支架、设在第一电池支架顶部的第二电池支架和设在车架一侧且位于龙门架后方的第三电池支架；第一电池支架为二层框架结构，纵向并列摆放三块动力电池安装在原车架柴油机的位置；所述第二电池支架为三层框架结构，安装在原车架柴油机的位置；所述第三电池支架为三层框架结构，安装在原车架燃油箱的位置。在车架的三个位置分别设置第一电池支架、第二电池支架和第三电池支架，将动力电池的重量均衡分布在车架上，使车架受力更均衡；电池支架的框架通过型材和板材弯折的内梁焊接而成，该种框架结构强度高，重量轻，而且加工难度低。

Description

一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构

技术领域

本发明涉及自卸车，尤其是一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构。

背景技术

100吨级矿用自卸车目前市场上运行基本都是以燃油为动力，对环境影响较大。现有针对燃油车进行纯电改造，整车纯电动改造是将柴油机驱动改造成为动力电源驱动，去除原车柴油机及其相关系统和变速箱，增加动力电源、变流器和牵引电机，采用交流传动技术，实现车辆制动能量的自动回收，最大限度地降低能耗，实现整车运行无污染、零排放，同时降低车辆的使用、维护成本，提高车辆的运行经济性。

目前油电再制造主要机械结构是为承载动力电池所用，也是为适应动力电池的外形结构及目标车型机械结构。常见动力电池支架结构为框架结构，多为板材折弯然后进行组焊而成；板材折弯精度不好把握，焊接时变形较大，相比型材而言机械加工量更多。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，动力电池布局合理，车架受力均衡；降低加工难度，增加施工便利性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，包括车架、设在车架上且于龙门架前方的第一电池支架、设在第一电池支架顶部的第二电池支架和设在车架一侧且位于龙门架后方的第三电池支架；

所述第一电池支架包括第一框架和设在第一框架外的第一外蒙皮，第一框架内形成第一容置腔体，第一容置腔体包括若干用于安装动力电池包的第一限位空间，所述第一电池支架的前端与车架前保险杠内侧面之间设有第一前安装座，所述第一电池支架的底部与车架之间设有第一中安装座，所述第一电池支架的后端与龙门架下横梁之间设有第一后安装座；

所述第二电池支架包括第二框架和设在第二框架外的第二外蒙皮，第二框架内形成第二容置腔体，第二容置腔体包括若干用于安装动力电池包的第二限位空间，所述第二电池支架通过螺栓固定在第一电池支架的顶部，所述第二电池支架的前端延伸至车架前保险杠的顶部，且第二电池支架的底部与前保险杠的顶面之间设有垫板；

所述第三电池支架包括第三框架和设在第三框架外的第三外蒙皮，第三框架内形成第三容置腔体，第三容置腔体包括若干用于安装动力电池包的第三限位空间，所述第三电池支架的背面通过第三安装座固定在车架侧面；所述第三安装座包括设在第三电池支架背面两侧的T型板、设在车架上且与T型板对应的U型板、设在第三电池支架背面两侧的第三上座体和设在车架上且与第三上座体对应的第三下座体，所述T型板包括横板和立板，立板与横板垂直且相互焊接，立板插入U型板内，横板焊接在第三电池支架的第三框架上，所述U型板的中部焊接在车架上，U型板的两侧向外弯折形成连接部，所述横板与连接部之间通过至少三颗锁紧螺丝连接，横板上锁紧螺栓分布的中心与第三电池支架的重心等高，所述第三上座体与第三下座体通过螺栓连接。

作为改进，所述第一框架包括由第一型材焊接而成的第一外框和由板材弯折形成的第一内梁，第一内梁与第一外框焊接连接；所述第一外蒙皮由六个面的第一薄板组成。

作为改进，所述第一前安装座包括与第一电池支架焊接的第一前上座体和与前保险杠焊接的第一前下座体；所述前保险杠包括底板、顶板、外侧板和内侧板，所述底板的内侧向内延伸形成连接板，所述连接板上设有加强板，所述加强板与连接板垂直且与内侧板平行，所述第一前下座体焊接在底板上，所述第一前上座体与第一前下座体之间设有减振垫。

作为改进，所述第一后安装座包括与第一电池支架焊接的第一后上座体和与龙门架下横梁焊接的第一后下座体，所述第一后下座体呈Z型，所述第一后下座体的一侧焊接在龙门架下横梁的顶面，所述第一后上座体与第一后下座体之间设有减振垫。

作为改进，所述第一中安装座包括设在第一电池支架底部的第一底托板和设在车架纵梁上的第一承托座，所述第一底托板的两侧分别设有两个弯折成型的Z型连接耳，Z型连接耳与第一承托座通过螺栓连接，Z型连接耳与第一承托座之间设有减振垫。

作为改进，所述第一电池支架的前后两端的顶部位置设有第二安装座，所述第二电池支架通过螺栓锁紧在第二安装座处。

作为改进，所述第二框架包括由第二型材焊接而成的第二外框和由板材弯折形成的第二内梁，第二内梁与第二外框焊接连接；所述第二外蒙皮由六个面的第二薄板组成，顶面和底面的第二薄板与第二框架焊接连接，侧面的第二薄板通过螺栓与第二框架连接。

作为改进，所述第三框架包括由第三型材焊接而成的第三外框和由板材弯折形成的第三内梁，第三内梁与第三外框焊接连接；所述第三外蒙皮由六个面的第三薄板组成，顶面和底面的第三薄板与第三框架焊接连接，侧面的第三薄板通过螺栓与第三框架连接。

作为改进，所述T型板通过六颗锁紧螺栓与U型板连接，所述T型板的横板两侧对应锁紧螺栓处设有长形安装孔，两侧的长形安装孔关于立板对称设置，同一侧的长形安装孔间距相同。

本发明与现有技术相比所带来的有益效果是：

1、在车架的三个位置分别设置第一电池支架、第二电池支架和第三电池支架，将动力电池的重量均衡分布在车架上，使车架受力更均衡；

2、电池支架的框架通过型材和板材弯折的内梁焊接而成，该种框架结构强度高，重量轻，而且加工难度低；

3、合理利用原车结构空间，在满足性能要求的同时，也具有一定的维修性，更换动力电池包相对简单；

4、第三电池支架通过悬臂结构安装，并结合总体空间布置，有效降低了锁紧螺栓的受力情况，使其荷载更加均衡的传导至车架纵梁上，减少对车架纵梁的冲击；

5、重点部位添加减振垫，减少对原车车架的冲击。

附图说明

图1为电池支架分布在车架上的立体图。

图2为电池支架分布在车架上的侧视图。

图3为车架立体图。

图4为第一电池支架分解视图。

图5为第二电池支架分解视图。

图6为第三电池支架分解视图。

图7为第一底托示意图。

图8为第三电池之间安装俯视图。

图9为第三安装座示意图。

图10为锁紧螺栓在横板上的分布图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。

本发明基于原燃油车车架进行纯电改造，主要针对承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构。

如图1、2所示，安装动力电池的机械结构包括车架4、设在车架4上且于龙门架5前方的第一电池支架1、设在第一电池支架1顶部的第二电池支架2和设在车架4一侧且位于龙门架5后方的第三电池支架3。所述第一电池支架1为二层框架结构，根据总体要求，纵向并列摆放三块动力电池安装在原车架4柴油机的位置；所述第二电池支架2为三层框架结构，根据总体要求，安装在原车架4柴油机的位置；所述第三电池支架3为三层框架结构，根据总体要求，安装在原车架4燃油箱的位置。

如图2至4所示，所述第一电池支架1包括第一框架和设在第一框架外的第一外蒙皮。第一框架内形成第一容置腔体，第一容置腔体包括若干用于安装动力电池包的第一限位空间。所述第一框架包括由第一型材焊接而成的第一外框16和由板材弯折形成的第一内梁18，第一内梁18与第一外框16焊接连接；型材不需额外机加工，根据所需的长短直接切割然后焊接，简单便捷。所述第一外蒙皮由六个面的第一薄板17组成，靠近车架4纵梁两侧的第一薄板17通过螺栓与第一框架连接，其他第一薄板17与第一框架通过焊接连接。所述第一电池支架1的前端与车架4的前保险杠6内侧面之间设有第一前安装座；所述第一前安装座包括与第一电池支架1焊接的第一前上座体10和与前保险杠6焊接的第一前下座体15；所述前保险杠6包括底板、顶板、外侧板和内侧板，所述底板的内侧向内延伸形成连接板62，所述连接板62上设有加强板63，所述加强板63与连接板62垂直且与内侧板平行，所述第一前下座体15焊接在底板上，所述第一前上座体10与第一前下座体15之间设有减振垫；前保险杠6底板上新增了两种类型的加强板，新增加强板的作用是增加车架4前保险杠6底板自身的刚度和分担第二电池支架2的总载荷。所述第一电池支架1的底部与车架4之间设有第一中安装座；所述第一中安装座包括设在第一电池支架1底部的第一底托板11和设在车架4纵梁上的第一承托座12；如图7所示，所述第一底托板11的两侧分别设有两个弯折成型的Z型连接耳111，Z型连接耳111与第一承托座12通过螺栓连接，Z型连接耳111与第一承托座12之间设有减振垫。所述第一电池支架1的后端与龙门架5下横梁之间设有第一后安装座；所述第一后安装座包括与第一电池支架1焊接的第一后上座体13和与龙门架5下横梁焊接的第一后下座体14；所述第一后下座体14呈Z型，所述第一后下座体14的一侧焊接在龙门架5下横梁的顶面，所述第一后上座体13与第一后下座体14之间设有减振垫；为了避免总垂向载荷都由安装座的焊缝承担，第一后安装座设计为Z型，其中一边焊接在车架4龙门下横梁的上平面，通过Z型钢板分担总的垂向载荷，延长安装座焊缝使用寿命。

如图2、4、5所示，所述第二电池支架2包括第二框架和设在第二框架外的第二外蒙皮。第二框架内形成第二容置腔体，第二容置腔体包括若干用于安装动力电池包的第二限位空间；电池包推进方向只能从第二框架的短边沿车辆前进方向或反方向进入，电池包的安装顺序同样是自上而下，最先安装顶层，依次向下，最后安装底层。所述第二框架包括由第二型材焊接而成的第二外框21和由板材弯折形成的第二内梁22，第二内梁22与第二外框21焊接连接；型材不需额外机加工，根据所需的长短直接切割然后焊接，简单便捷。所述第二外蒙皮由六个面的第二薄板23组成，顶面和底面的第二薄板23与第二框架焊接连接，侧向四面的第二薄板23通过螺栓与第二框架连接。所述第一电池支架1的前后两端的顶部位置设有第二安装座19，所述第二电池支架2通过螺栓锁紧在第二安装座19处。第二电池支架2除承受自身电池包的载荷外，还需要为安装冷却机组支架总成和高压柜提供接口。

如图6所示，所述第三电池支架3包括第三框架和设在三框架外的第三外蒙皮。第三框架内形成第三容置腔体，第三容置腔体包括若干用于安装动力电池包的第三限位空间，动力电池包从外侧方向进入第三框架内，同时安装动力电池时，必须先安装最上层的两块C箱动力电池，螺栓紧固后依次从上往下进行安装，最后安装最下层的两块G箱动力电池，待管线布置完毕之后再进行蒙皮的安装。所述第三框架包括由第三型材焊接而成的第三外框34和由板材弯折形成的第三内梁35，第三内梁35与第三外框34焊接连接；型材不需额外机加工，根据所需的长短直接切割然后焊接，简单便捷。所述第三外蒙皮由六个面的第三薄板33组成，顶面和底面的第三薄板33与第三框架焊接连接，侧向四面的第三薄板33通过螺栓与第三框架连接。

如图3、8、9所示，所述第三电池支架3的背面通过第三安装座固定在车架4侧面。所述第三安装座包括设在第三电池支架3背面两侧的T型板36、设在车架4上且与T型板36对应的U型板32、设在第三电池支架3背面两侧的第三上座体37和设在车架4上且与第三上座体37对应的第三下座体31。所述T型板36包括横板361和立板362，立板362与横板361垂直且相互焊接，立板362插入U型板32内，横板361焊接在第三电池支架3的第三框架上，所述U型板32的中部焊接在车架4上，U型板32的两侧向外弯折形成连接部321，所述横板361与连接部321之间通过至少三颗锁紧螺丝连接，横板361上锁紧螺栓分布的中心与第三电池支架3的重心等高，所述第三上座体37与第三下座体31通过螺栓连接。本实施例中，所述T型板36通过六颗锁紧螺栓与U型板32连接，即第三电池支架3通过十二颗锁紧螺栓与车架4连接；所述T型板36的横板361两侧对应锁紧螺栓处设有长形安装孔，两侧的长形安装孔关于立板362对称设置，同一侧的长形安装孔间距相同。

如图10所示，第三电池支架3的安装是通过十二颗锁紧螺栓与车架4相连，以单边的安装说明其受力情况，车辆在运行过程中，第一设计方案的第三电池支架3重心在A位置，假设六颗锁紧螺栓受力相等，只对锁紧螺栓中心O进行分析，则在A位置的锁紧螺栓所受力矩为：M_A＝F×L。

随着第三电池支架3重心位置不断提高，但不超过螺栓中心O，则L会逐步变小，假设第三电池支架3重心提高至B点位置，则在此位置的锁紧螺栓所受力矩为：M_B＝F×(L-ΔL)。

此时锁紧螺栓所受力矩明显小于第三电池支架3重心在A点位置的力矩；但当第三电池支架3重心位置与螺栓中心O位置同高时，则M_B＝0此时螺栓不承受弯矩；当第三电池支架3重心位置超过螺栓中心O位置时，则锁紧螺栓所承受弯矩又会逐步增加，假设第三电池支架3重心提高至C点位置，则在此位置的锁紧螺栓所受力矩为：M_C＝F×(ΔL′-L)。

此时随着第三电池支架3中心不断提高，则ΔL′会不断增加，锁紧螺栓所受力矩也会增加。

实际车辆运行过程中，每颗锁紧螺栓的受力情况也不尽相同，接下来应用仿真手段可以准确的模拟计算每个锁紧螺栓在极限工况下的受力情况，仿真计算所用参数如表1所示：

表1载荷工况表

参数	符号	数值	单位
				动力电池C箱质量	M<sub>dc</sub>	220	Kg
动力电池G箱质量	M<sub>dg</sub>	180	Kg

。

第三电池支架3重心低于螺栓中心O情况下仿真：两T型板36与U型板32共十二颗锁紧螺栓1-12安装，第三上座体37与第三下座体31分别为锁紧螺栓13、14两个点为第三电池支架3体提供垂向支撑，这里只关注螺栓的受力情况，提取每个锁紧螺栓的受力情况如表2所示：

表2螺栓受力情况表

	FX	FY	FZ
				锁紧螺栓1	-12557	1885.9
锁紧螺栓2	-11228	4934.7
				锁紧螺栓3	-6313.5	574.32
锁紧螺栓4	-3784.1	-1896.9
				锁紧螺栓5	13013	6038.3
锁紧螺栓6	16462	-6847.6
				锁紧螺栓7	-8643.8	-3550.7
锁紧螺栓8	-7621.9	-1153.8
				锁紧螺栓9	-2938.3	2718.3
锁紧螺栓10	-3747.7	-848.72
				锁紧螺栓12	17587	-3338.3
锁紧螺栓11	18222	12470
				锁紧螺栓13			24672
锁紧螺栓14			26031
				TOTAL VALUES	8449.7	10985.5	50703
max	18222	12470
				min	2938.3	574.32

抬高第三电池支架3，使第三电池支架3重心与螺栓中心O等高情况下仿真：两T型板36与U型板32共十二颗锁紧螺栓1-12安装，第三上座体37与第三下座体31分别为锁紧螺栓13、14两个点为第三电池支架3体提供垂向支撑，这里只关注螺栓的受力情况，提取每个锁紧螺栓的受力情况如表3所示：

表3螺栓受力情况表

	FX	FY	FZ
				锁紧螺栓1	-14441	-1841.2
锁紧螺栓2	-9822.4	2819.3
				锁紧螺栓3	668.73	-1025.4
锁紧螺栓4	1116.9	992.46
				锁紧螺栓5	10036	3104.1
锁紧螺栓6	11319	-2085.8
				锁紧螺栓7	-11072	-3941.6
锁紧螺栓8	-13014	7760
				锁紧螺栓9	1165	370.26
锁紧螺栓10	2605.6	432.85
				锁紧螺栓11	14011	5928.5
锁紧螺栓12	15837	-1579.8
				锁紧螺栓13			25605
锁紧螺栓14			24858
				TOTAL VALUES	8409.83	10933.67	50463
max	15837	7760
				min	668.73	370.26

根据实际原车接口安装螺栓为10.9级M18，可以计算中，在此工况中，螺栓所受最大拉应力和剪应力。

X方向为锁紧螺栓所受拉应力：

Y方向为锁紧螺栓所受剪应力：

其中：

其中：K_f-----可靠性系数，取1.1～1.3

F_A-----横向载荷

m-----结合面数

f-----结合面间摩擦因数

d₁-----螺纹小径

带入具体数值后，原设计方案锁紧螺栓所受拉应力和剪切应力为：

σ_拉1＝99.24MPa

σ_剪1＝765.16MPa

根据总体设备布置空间，在将第三电池支架3抬高一定距离后，锁紧螺栓所受拉应力和剪切应力为：

σ_拉2＝86.25MPa

σ_剪2＝４76.15MPa

从表2和表3可以看出，重心抬高后，锁紧螺栓所承受的X方向最大轴向力还是有了明显的减小，从18222N变化为15837N，减小13％；锁紧螺栓所承受的Y方向最大剪切力从12470N变化为7760N，减少38％。在抬高后，锁紧螺栓的受力情况明显有所改善。

Claims (9)

1.一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，其特征在于：包括车架、设在车架上且于龙门架前方的第一电池支架、设在第一电池支架顶部的第二电池支架和设在车架一侧且位于龙门架后方的第三电池支架；

所述第一电池支架包括第一框架和设在第一框架外的第一外蒙皮，第一框架内形成第一容置腔体，第一容置腔体包括若干用于安装动力电池包的第一限位空间，所述第一电池支架的前端与车架前保险杠内侧面之间设有第一前安装座，所述第一电池支架的底部与车架之间设有第一中安装座，所述第一电池支架的后端与龙门架下横梁之间设有第一后安装座；

所述第二电池支架包括第二框架和设在第二框架外的第二外蒙皮，第二框架内形成第二容置腔体，第二容置腔体包括若干用于安装动力电池包的第二限位空间，所述第二电池支架通过螺栓固定在第一电池支架的顶部，所述第二电池支架的前端延伸至车架前保险杠的顶部，且第二电池支架的底部与前保险杠的顶面之间设有垫板；

所述第三电池支架包括第三框架和设在第三框架外的第三外蒙皮，第三框架内形成第三容置腔体，第三容置腔体包括若干用于安装动力电池包的第三限位空间，所述第三电池支架的背面通过第三安装座固定在车架侧面；所述第三安装座包括设在第三电池支架背面两侧的T型板、设在车架上且与T型板对应的U型板、设在第三电池支架背面两侧的第三上座体和设在车架上且与第三上座体对应的第三下座体，所述T型板包括横板和立板，立板与横板垂直且相互焊接，立板插入U型板内，横板焊接在第三电池支架的第三框架上，所述U型板的中部焊接在车架上，U型板的两侧向外弯折形成连接部，所述横板与连接部之间通过至少三颗锁紧螺丝连接，横板上锁紧螺栓分布的中心与第三电池支架的重心等高，所述第三上座体与第三下座体通过螺栓连接。

2.根据权利要求1所述的一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，其特征在于：所述第一框架包括由第一型材焊接而成的第一外框和由板材弯折形成的第一内梁，第一内梁与第一外框焊接连接；所述第一外蒙皮由六个面的第一薄板组成。

3.根据权利要求1所述的一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，其特征在于：所述第一前安装座包括与第一电池支架焊接的第一前上座体和与前保险杠焊接的第一前下座体；所述前保险杠包括底板、顶板、外侧板和内侧板，所述底板的内侧向内延伸形成连接板，所述连接板上设有加强板，所述加强板与连接板垂直且与内侧板平行，所述第一前下座体焊接在底板上，所述第一前上座体与第一前下座体之间设有减振垫。

4.根据权利要求1所述的一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，其特征在于：所述第一后安装座包括与第一电池支架焊接的第一后上座体和与龙门架下横梁焊接的第一后下座体，所述第一后下座体呈Z型，所述第一后下座体的一侧焊接在龙门架下横梁的顶面，所述第一后上座体与第一后下座体之间设有减振垫。

5.根据权利要求1所述的一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，其特征在于：所述第一中安装座包括设在第一电池支架底部的第一底托板和设在车架纵梁上的第一承托座，所述第一底托板的两侧分别设有两个弯折成型的Z型连接耳，Z型连接耳与第一承托座通过螺栓连接，Z型连接耳与第一承托座之间设有减振垫。

6.根据权利要求1所述的一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，其特征在于：所述第一电池支架的前后两端的顶部位置设有第二安装座，所述第二电池支架通过螺栓锁紧在第二安装座处。

7.根据权利要求1所述的一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，其特征在于：所述第二框架包括由第二型材焊接而成的第二外框和由板材弯折形成的第二内梁，第二内梁与第二外框焊接连接；所述第二外蒙皮由六个面的第二薄板组成，顶面和底面的第二薄板与第二框架焊接连接，侧面的第二薄板通过螺栓与第二框架连接。

8.根据权利要求1所述的一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，其特征在于：所述第三框架包括由第三型材焊接而成的第三外框和由板材弯折形成的第三内梁，第三内梁与第三外框焊接连接；所述第三外蒙皮由六个面的第三薄板组成，顶面和底面的第三薄板与第三框架焊接连接，侧面的第三薄板通过螺栓与第三框架连接。

9.根据权利要求1所述的一种承载100吨纯电矿用自卸车安装动力电池的机械结构，其特征在于：所述T型板通过六颗锁紧螺栓与U型板连接，所述T型板的横板两侧对应锁紧螺栓处设有长形安装孔，两侧的长形安装孔关于立板对称设置，同一侧的长形安装孔间距相同。

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