電動汽車一步式換電設備行走單元設計分析

畢樹國

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司物流部，沈陽 110168）

0 引言

中國在粗放式工業化進程中所遭遇的環境污染問題已經到了刻不容緩的需要解決時刻。低碳減排成為政策，環保意識不斷提高，綠色交通勢在必行。電動汽車的“零排放”讓其成為未來交通設想中較為理想的交通工具。

電池不支持快充成為制約電動汽車快速發展的瓶頸，在繁忙的交通網絡中迅速的換電系統網絡油然而生，這就需要相應的快速、自動、可靠的換電設備。由于土地資源在城市發展中日益緊張，因此一步式換電設備因占地面積小、結構緊湊，目前已經成為主要的換電模式。

本文將對一步式換電設備進行研制介紹，并對行走單元進行設計計算。

1 一步式換電系統整體結構

一步式換電設備是完成對電動汽車電量不足電池與電量充足電池的交換設備，一端與電池充電架對接，另一端與電動汽車對接。

當電動汽車駛入換電指定區域時，換電設備上已經預先準備好了電量充足的電池，且設備已經就緒。換電設備與電動汽車對接、解鎖、抽拉，把電量不足的電池從電動汽車上取下，通過旋轉把電量充足的電池送回到電動汽車，完成了電池的換電過程。換電設備再與電池充電架對接，把電量不足的電池放入電池充電架進行充電，再把電量充足的電池放入設備，下次換電工作就緒，換電機器人完成操作，回到初始位置，如圖1 所示。

圖1 電池更換系統簡圖

2 一步式換電設備行走單元設計

一步式換電設備主要由行走單元、升降傾斜單元、旋轉單元、伸叉取送單元和電控系統組成。本文主要是對行走單元進行設計計算［1-2］。

行走單元采用四輪結構，兩輪驅動形式，由車架、驅動輪、隨動輪、控制柜、供電系統及驅動電機等組成。其中車架是行走單元主體，骨架的作用。

車架采用型材焊接框架，行走單元結構如圖2 所示。

2.1 行走電機選擇

圖2 行走單元結構圖

電機減速機選擇，主要是選擇減速機的減速比，減速機輸出扭矩，輸出轉數，以及電機扭矩和功率的確定［3-4］。

式中：P靜為運行靜阻力；P摩為運行摩擦阻力；P坡為坡路上運行時須克服的重量分力；P風為室外運行時由風載荷引起的阻力。

由于一步式換電設備在室內水平行走，P坡和P風可以忽略不計。即P靜＝P摩。

式中：G為最大承載，G0為自重。

式中：K為滾動摩擦系數；μ為軸承摩擦系數??；d為驅動軸直徑；D輪為驅動輪直徑；K附為附加摩擦阻力系數。

式中a為加速度。

行走輪轉數，即減速機輸出轉數：

式中v為行走輪速度。

式中S為安全系數。

式中：i為減速機減速比；ηJ為減速機效率。

式中：ηd為伺服電機效率。

2.2 車架計算

車架采用型材焊接［6-8］，兩側行走輪安裝面固定，舉升安裝面施加壓力以及自重，然后進行分析，具體結果如圖3～圖7 所示。

圖3 車架受力圖

圖4 網格圖

圖5 屈服力圖

圖6 變形圖

圖7 安全系數分布圖

通過應力分析、變形分析車架完全滿足要求。

2.3 整體吊裝分析

一步式換電設備整體完全組裝完成后，插入式圓柱形吊耳插入側面的4 個孔，利用吊帶進行吊裝，分析車體的強度和剛度［9］，如圖8～圖10。

圖8 屈服力圖

圖9 變形圖

圖10 安全系數分布圖

3 分 析

表1 分析數據表

分析數據見表1。

4 結語

經過分析車架的強度和剛度，行走單元車架完全滿足正常使用狀態的要求，也完全滿足設備在吊裝時的要求，能夠保證設備安全、穩定、可靠的運行。

［1］Shigley J E，Uicher J J.Theory of machines and mechanisms［M］.New York：McGraw-Hill Book Company，1980.

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