電動(dòng)車(chē)快慢充電口蓋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

魏立，宋志堯，沈鑫兵

（200082 上海市 上海理工大學(xué)）

0 引言

面臨環(huán)境污染和能源過(guò)度消耗等問(wèn)題，汽車(chē)能耗問(wèn)題備受關(guān)注，對(duì)汽車(chē)能耗要求也越來(lái)越高，有些國(guó)家甚至已經(jīng)開(kāi)始著手制定燃油車(chē)禁售時(shí)間表。電動(dòng)汽車(chē)日益被整車(chē)企業(yè)所重視，也逐漸成為未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)之一。而電動(dòng)電池作為電動(dòng)汽車(chē)的能源供應(yīng)者，在使用一段時(shí)間之后，需要充電來(lái)補(bǔ)給能量、為了滿足消費(fèi)者充電需求，配備快慢充電口必不可少。相比燃油車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)的持續(xù)續(xù)航里程相對(duì)會(huì)短一些，所以充電口在使用上會(huì)十分頻繁，因此一款方便安全且穩(wěn)定的充電口裝置就顯得極其重要，這也間接決定了消費(fèi)者在購(gòu)車(chē)時(shí)的決策以及在今后使用過(guò)程中的體驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

本文根據(jù)某款電動(dòng)車(chē)充電口蓋的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)充電口布置位置、充電口蓋安裝結(jié)構(gòu)、外板形狀、鎖閉形式、材質(zhì)等的選擇和設(shè)計(jì)，并通過(guò)DMU 仿真檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性。為樣車(chē)中的部分結(jié)構(gòu)提供了合理的設(shè)計(jì)思路，從而完成對(duì)參考車(chē)型充電口總成的改進(jìn)與設(shè)計(jì)。

1 充電口總成設(shè)計(jì)

充電為電動(dòng)汽車(chē)必不可少的一項(xiàng)功能，合理地在汽車(chē)車(chē)身部位設(shè)計(jì)一個(gè)高效且便利的充電結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)充電功能的必要條件[1]。就充電口而言，合理的充電口座結(jié)構(gòu)、合理的充電口布置都是保證汽車(chē)可以高效充電的前提，也是電動(dòng)車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)之一。本文對(duì)某款電動(dòng)車(chē)的充電口總成進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先列出了此型充電口總成的設(shè)計(jì)要求，主要分為技術(shù)要求和試驗(yàn)要求兩部分[2]。其后根據(jù)此要求的條件，在合理范圍內(nèi)對(duì)充電口總成完成設(shè)計(jì)。

1.1 主要技術(shù)要求

（1）充電口蓋總成是按主機(jī)廠確認(rèn)批準(zhǔn)的圖樣及技術(shù)開(kāi)發(fā)協(xié)議，經(jīng)制造廠質(zhì)量檢驗(yàn)部門(mén)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品，并附有合格證。

（2）充電口蓋總成表面無(wú)尖角、毛刺、裂紋、氣泡、油漆流痕、表面翹曲等。

（3）充電口蓋總成的間隙及面差滿足造型設(shè)計(jì)要求，充電口蓋關(guān)閉后，在行駛過(guò)程中不會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。

（4）裝配后蓋板開(kāi)啟關(guān)閉活動(dòng)自如。

1.2 試驗(yàn)要求

（1）拉伸強(qiáng)度按QC/T 15-1992《汽車(chē)塑料制品通用試驗(yàn)方法》，拉伸強(qiáng)度≥160 MPa。

（2）彎曲強(qiáng)度按GB/T 9341-2008《塑料彎曲性能的測(cè)定》，MP01-06A：≥20 MPa，MP01-09：≥26 MPa。

（3）彎曲性能 彎曲試驗(yàn)按GB/T 232-2010《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》。彎曲性能應(yīng)符合GB/T 3880.2《一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材第2 部分：力學(xué)性能》的規(guī)定。

（4）懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按 GB/T 1843-2008 《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》進(jìn)行。MP01-06A：23 ℃時(shí)，≥40 kJ/m2；-30 ℃時(shí)，≥4 kJ/m2；MP01-09：23℃時(shí)，≥12 kJ/m2。

（5）漆膜附著性試驗(yàn)（噴漆件） 按GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》第7章的規(guī)定進(jìn)行。

（6）光老化按 GB/T 16422.2-1999《塑料 實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)方法 第2 部分：氙弧燈》的規(guī)定執(zhí)行。要求無(wú)裂紋，無(wú)明顯變色、退色現(xiàn)象，色牢度≥4 級(jí)。

（7）耐高溫性能按 QC/T 15-1992 中5.1.4.1條款。試驗(yàn)后尺寸無(wú)明顯變化，產(chǎn)品無(wú)變形、間隙、波紋，在安裝部位沒(méi)有松動(dòng)或活動(dòng)。外觀無(wú)龜裂、剝離、溶脹、釋出；顏色不應(yīng)產(chǎn)生明顯變色；光澤度不應(yīng)產(chǎn)生明顯損失（ΔL≤0.2）等現(xiàn)象。

（8）耐寒性能 按QC/T 15-1992 執(zhí)行，將試樣放置在-30±2 ℃恒溫箱內(nèi)至少4 h 后取出，立即按第6 條規(guī)定項(xiàng)目進(jìn)行檢查。試驗(yàn)后，不允許產(chǎn)生表面起泡、起皺、裂紋、分化，不允許產(chǎn)生嚴(yán)重變色、光澤嚴(yán)重?fù)p失等現(xiàn)象。尺寸變化≤0.05，變形不明顯。

（9）冷熱交變性能 按QC/T 15-1992 中5.1.4.4 條款。試驗(yàn)后試件表面無(wú)缺陷，如起泡、起皺、裂紋、脫落等。

（10）耐擦傷按 QC/T 15-1992 中5.9 條款，試驗(yàn)后符合QC/T 15-1992 相關(guān)要求。

（11）耐振動(dòng)性按QC/T 15-1992 中5.6 條款。試驗(yàn)后無(wú)損傷、無(wú)裂紋、無(wú)異常。

（12）耐濕性能按QC/T15-1992 中5.4 規(guī)定，在45℃90%RH、96 h 后取出，用干燥的清潔布擦干，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下放置1 h。試驗(yàn)后，尺寸變化＜0.05%；外觀不允許產(chǎn)生變形、粘手、起泡、起皺、裂紋、粉化等異常現(xiàn)象；不應(yīng)產(chǎn)生明顯變色；光澤度不應(yīng)產(chǎn)生明顯損失（ΔL≤0.2）等現(xiàn)象。

（13）耐沖擊性按 QC/T 15-1992。制品表面及本體不允許發(fā)生破損現(xiàn)象。

（14）材料標(biāo)記按 QC/T 797-2008《汽車(chē)塑料件、橡膠件和熱塑性彈性體件的材料標(biāo)識(shí)和標(biāo)記》。產(chǎn)品要求標(biāo)明其材料，標(biāo)識(shí)清晰且不影響產(chǎn)品的使用功能。

（15）燃燒特性 GB 8410-2006《汽車(chē)內(nèi)飾材料的燃燒特性》，≤100 mm/min。

（16）涂鍍層和化學(xué)處理層按QC/T 625-2013《汽車(chē)用涂鍍層和化學(xué)處理層》執(zhí)行，滿足標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于涂鍍層和化學(xué)處理層技術(shù)要求。

2 主要參數(shù)確定

2.1 位置布置

目前法規(guī)暫時(shí)沒(méi)有對(duì)電動(dòng)車(chē)充電口布置位置提出明確要求，快充與慢充可以根據(jù)車(chē)輛自身特點(diǎn)與總布置要求來(lái)選擇布置位置，快慢充可集中分布也可分開(kāi)布置。在布置充電口位置時(shí)，主要需要考慮普通用戶使用時(shí)的方便性和舒適度、避免布置在碰撞變形區(qū)內(nèi)、當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)高壓安全問(wèn)題[3]。而常見(jiàn)的布置形式有以下幾種形式：

（1）布置在車(chē)輛正前端即前保處。此方案需考慮到充電機(jī)的位置布置以及高壓線纜的走向布置，應(yīng)保證充電機(jī)靠近充電接口，并在符合工作要求的前提下盡量減小高壓線束的長(zhǎng)度，從而減少成本[4]。

（2）布置在側(cè)圍，延用原加油口。這種情況一般分為兩種，快慢充集中布置在原加油口處和快慢充對(duì)稱分布于車(chē)身兩側(cè)。因側(cè)圍C 柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間較小，若采用快慢充集中布置會(huì)占用C柱大部分空間，應(yīng)保證零件的剛度，以及焊接的可操作性[5]。

（3）布置在前翼子板處。此布置方案可將充電機(jī)布置在機(jī)艙內(nèi)，難點(diǎn)在于高壓線束走向布置。應(yīng)考慮插拔導(dǎo)致翼子板的變形，并保證充電口盒與翼子板的間隙[6]。

（4）布置在后行李箱蓋處。因需布置充電機(jī)、冷卻風(fēng)道等，會(huì)占用一定容積，影響原備胎布置位置，此布置方案較為少見(jiàn)[7]。

鑒于參考車(chē)型充電孔位置布置不佳，存在以下缺點(diǎn)：

（1）充電線束太長(zhǎng)且裸露在地板下方，不利于保護(hù)且成本高，欲對(duì)其充電系統(tǒng)重新布置，以達(dá)到最佳性價(jià)比。如圖1 為參考車(chē)充電口位置，圖2 為充電線束。

圖2 充電線束Fig.2 Charging harness

（2）原充電口蓋開(kāi)啟方式為上下旋轉(zhuǎn)式，開(kāi)啟角度約為90°，在充電時(shí)人機(jī)舒適性很差。圖3 為參考車(chē)充電口圖示。

圖3 參考車(chē)充電口Fig.3 Charging port of reference vehicle

根據(jù)存在的缺陷問(wèn)題，將快充、慢充口位置調(diào)整至前機(jī)艙。調(diào)整后充電口位置如圖4 所示。

圖4 調(diào)整后充電口位置Fig.4 Charging port position after adjustment

對(duì)比更改后的充電口更加靠近充電電機(jī)，從而減少線束成本。且更改后的充電口放置于車(chē)頭，用戶進(jìn)入和退出汽車(chē)都能明顯發(fā)現(xiàn)，從而幫助提醒車(chē)主充電或拔掉充電槍。由于位置的改變，快慢充的線束也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。即將快充線束經(jīng)過(guò)前防撞梁、散熱器右立柱、右縱梁前段，從而與電池包相連接。慢充線束經(jīng)過(guò)前防撞梁、散熱器左立柱、左縱梁前段，從而與充電電機(jī)相連接，如圖5、圖6 所示。

圖5 快充線束走向?qū)Ρ确治鯢ig.5 Comparative analysis of the direction of fast charging wire harness

圖6 慢充線束走向?qū)Ρ确治鯢ig.6 Comparative analysis of the direction of slow charging wire harness

更改后的快慢充線束相對(duì)于原慢快充線束優(yōu)勢(shì)如下：

（1）更改后線束比原線束長(zhǎng)度變短，從而達(dá)到節(jié)省成本的目的。

（2）更改后線束被前阻尼板阻隔在機(jī)艙內(nèi)，與原車(chē)線束暴露地板下端相比，更利于線束保護(hù)。

（3）由于原車(chē)慢充線束是由室內(nèi)走向室外，而新增線束沿著機(jī)艙橫梁而走，所以比原車(chē)線束更方便安裝。

更改后充電口位置可行性分析如圖7 所示。很顯然，新充電口布置角度及高度均滿足人機(jī)舒適性要求。

圖7 更改后充電口位置分析Fig.7 Analysis of charging port position after change

2.2 其他參數(shù)確定

上文中已經(jīng)確定充電口的布置位，接下來(lái)則需要對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）充電口蓋材質(zhì)

電動(dòng)汽車(chē)尤其是純電動(dòng)，一次充滿電后的行駛里程數(shù)有限，需頻繁地充電，因此需要頻繁地開(kāi)閉充電口蓋，由此可見(jiàn)保證充電口蓋的可靠性尤為重要。目前，充電口蓋按材質(zhì)主要可分為金屬、高分子材料和混合材料充電口蓋3 類。為了提高金屬材質(zhì)的防腐性，常會(huì)選用鍍鋅鋼板。而高分子材料，目前運(yùn)用較為成熟的材料是聚鄰苯二酰胺（PPA）材料，它的特性是熱穩(wěn)定性好，具有高強(qiáng)度和剛度，耐沖擊[8]。混合材料充電口蓋外板采用金屬材料，內(nèi)板采用高分子材料。本文方案是將充電口蓋同時(shí)設(shè)計(jì)為車(chē)標(biāo)，即可將充電口內(nèi)外板配合為一體。車(chē)標(biāo)采用ABS 材料，表面做鍍鉻處理[9]。充電口外板采用PP+EPDMTD20 材質(zhì)，表面做噴漆處理。PP+EPDM-TD20具有耐高溫、耐低溫、絕緣性好、抗沖擊性好、化學(xué)穩(wěn)定性好的特性。充電口內(nèi)板采用DC01 材質(zhì)，為冷軋低碳鋼板，強(qiáng)度高。

（2）充電口蓋安裝結(jié)構(gòu)及其口座設(shè)計(jì)

采用整體式，充電口蓋通過(guò)鉸鏈安裝在車(chē)身上，更為美觀，安裝精度更高，如圖8 所示。充電口座通過(guò)螺接方式安裝在汽車(chē)車(chē)身上，并在關(guān)鍵部位使用加強(qiáng)筋，同時(shí)還可以做翻邊或者凸起等來(lái)增加其中支架的強(qiáng)度，如圖9 所示。

圖8 充電口蓋安裝方式Fig.8 Installation method of charging port cover

圖9 充電口座Fig.9 Charging port seat

（3）鉸鏈結(jié)構(gòu)

鉸鏈結(jié)構(gòu)采用了四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，如圖10 所示。四連桿機(jī)構(gòu)可傳遞較大的動(dòng)力，易于制造，也容易保證制造后精度，對(duì)于遠(yuǎn)距離的傳遞可以方便實(shí)現(xiàn)，常用于動(dòng)力機(jī)械[10]。

圖10 鉸鏈結(jié)構(gòu)Fig.10 Hinge structure

（4）充電口蓋閉鎖形式

采用電磁閥式閉鎖形式，如圖11 所示。電磁閥式鎖閉結(jié)構(gòu)是一種通過(guò)電信號(hào)來(lái)控制開(kāi)閉的結(jié)構(gòu)，在使用上十分安全可靠，且操作簡(jiǎn)易方便，結(jié)構(gòu)輕巧。以上則完成了充電口總成的設(shè)計(jì)。

圖11 電磁閥式鎖閉結(jié)構(gòu)Fig.11 Solenoid-valve-type locking structure

3 充電口蓋運(yùn)動(dòng)仿真分析

在電子樣機(jī)模塊中的DMU 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是電子樣機(jī)模塊的關(guān)鍵組成部分，可以使用它對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效性評(píng)價(jià)。其模塊中提供了豐富多樣的分析測(cè)試手段，例如產(chǎn)品干涉檢查、3D 尺寸比較、剖面分析、運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體積分析等功能，此外它也可進(jìn)行碰撞、間隙及接觸等計(jì)算，并得出更為詳盡和精確的分析結(jié)果[2]。適用于從生活用品到各類機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)，因此它的應(yīng)用也十分廣泛。DMU 運(yùn)動(dòng)分析是將所有零件視為剛體，不能對(duì)受力變形及振動(dòng)等柔性變形進(jìn)行分析。

為了保證充電口蓋在使用過(guò)程中的安全性能，保證它與其他機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生干涉以及安全問(wèn)題，本章對(duì)充電口蓋進(jìn)一步進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真的校核。這里依然使用CATIA 軟件，運(yùn)用的模塊為電子樣機(jī)模塊中的DMU 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)以上設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充電口蓋開(kāi)閉的運(yùn)動(dòng)仿真。

進(jìn)入DMU 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊，新建機(jī)械裝置，同時(shí)對(duì)充電口蓋鉸鏈處進(jìn)行約束，然后對(duì)車(chē)標(biāo)、充電口外蓋板、充電口內(nèi)蓋板以及螺接的鉸鏈建立剛性連接（如圖12 所示），并對(duì)車(chē)身相連的鉸鏈進(jìn)行固定。其中定義旋轉(zhuǎn)角度，選擇“驅(qū)動(dòng)角度”，并在“接合限制”中寫(xiě)入運(yùn)動(dòng)角度上下限0～135°。

圖12 剛性連接Fig.12 Rigid connections

成功建立運(yùn)動(dòng)仿真后，通過(guò)滑動(dòng)滑塊即可觀察充電口蓋運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖13 所示。

圖13 充電口蓋運(yùn)動(dòng)仿真Fig.13 Simulation of charging cover movement

3.2 分析校核

最后對(duì)充電口蓋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與各部件是否干涉進(jìn)行校核。本章通過(guò)DMU 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真分析，驗(yàn)證了其各部分組件在運(yùn)動(dòng)時(shí)的合理性。

表1 分析校核Tab.1 Component analysis check

通過(guò)上述各項(xiàng)校核，該連桿機(jī)構(gòu)及鎖扣布置位置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中均無(wú)問(wèn)題，可滿足正常的開(kāi)啟關(guān)閉及快、慢充電槍的插拔使用。

4 結(jié)論

在技術(shù)要求和試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，本文對(duì)充電口不同的位置布置方案進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)的說(shuō)明，并提出了改進(jìn)措施以及布置中需要注意的要點(diǎn)。同時(shí)對(duì)充電口總成其他參數(shù)，包括材質(zhì)選用、充電口蓋安裝結(jié)構(gòu)、鉸鏈結(jié)構(gòu)、鎖閉形式的選取方案提供了參考和說(shuō)明。最終運(yùn)用DMU 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)校核驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)的合理性，驗(yàn)證了在達(dá)到性能提升的同時(shí)兼?zhèn)浒踩捅憷男薷脑O(shè)計(jì)方案，為相關(guān)車(chē)型的充電口蓋總成設(shè)計(jì)提供了參考。對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)，在安全可靠的前提下都要結(jié)合原本結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)盡可能保留原有的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)復(fù)雜的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，在創(chuàng)新的基礎(chǔ)上也可以運(yùn)用相對(duì)成熟的結(jié)構(gòu)來(lái)完善設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)有各類軟件輔助設(shè)計(jì)從而達(dá)到在降低成本的同時(shí)得到更加安全美觀和高效的改進(jìn)設(shè)計(jì)。