多級剪叉式新型充電大巴受電弓的設計

劉元昊，劉 晗，柴 瑞，陳育羽

(哈爾濱理工大學榮成學院，山東 威海 264300)

0 引言

當前，隨著環境污染和能源危機問題的日益加重，新能源汽車蓬勃發展，其中也包含著電動大巴車。在緩解城市交通運輸壓力方面，電動巴士發揮著舉足輕重的作用，作為電動巴士的重要配件設施，發展滯后的充電樁及相關的充電設備在一定程度上阻礙了電動巴士的發展和推廣[1]。如何充分有效地對電動大巴車進行充電是電動大巴技術領域的一項挑戰。本文設計了一種新型的電動大巴受電弓裝置，其結構對稱，擁有良好的穩定性，可以有效地放大平行位移，實現電動大巴充電樁精準定位的功能，為后期電動巴士充電裝置的設計奠定了一定基礎。

1 國內外研究現狀

1.1 國內研究現狀

目前國內的電動大巴充電主要分為一拖四普通群充、雙槍充電和單槍充電等方式。普遍采用雙槍直流快速充電的方式對電動巴士進行充電，需要工作人員從充電樁引出兩條充電槍，這兩條充電槍同時對需要充電的大巴車進行充電[2]。雖然這種充電模式可以在夜間無人用電的時候進行高效率的充電，但也存在一些弊端，如充電線槍質量過重、推拽不方便以及不便于進行高頻率的插拔等問題。

1.2 國外研究現狀

歐洲使用充電線的接觸式充電設備，接觸式自動充電公交汽車在歐洲比較常見，公交車架設有專門的雙連桿式的專用受電弓，在公交車靠站時可以進行快速充電。

2 受電弓方案的設計

本文設計的是新型充電大巴的輔助充電工具受電弓，受電弓是電動巴士和充電樁連接的載體，電動巴士的充電過程如圖1所示。受電弓通過剪叉支架、上端固定支座、驅動裝置和下部工作平臺四個部分的有機結合構成一個整體，其結構如圖2所示。上端固定支座主要有兩大作用：一是用來將受電弓固定在新型充電樁上，二是起到支撐作用。剪叉支架通過放大平行位移實現整個裝置的上升和下降。工作平臺與電動巴士的充電端口連接，實現電動巴士的充電過程。驅動裝置將機械能作用于剪叉支架的橫梁上，使每一層的剪叉支架收攏或者撐開。

圖1 電動大巴充電過程

圖2 新型充電大巴受電弓三維模型

2.1 受電弓剪叉支架

四幅剪叉臂相互連接構成受電弓的剪叉支架，它們以中心為對稱軸呈對稱分布。活動銷軸插入每個剪叉臂中心位置的沉頭孔，中心的銷軸作為轉動副連接一對剪叉臂(如圖3所示)，并且用來承受機構運動過程產生的局部載荷。相鄰兩層之間的剪叉臂通過剪叉臂兩端的孔采用銷釘進行連接[3]。電動推桿安裝在一對剪叉臂的橫梁之間(如圖4所示，空心橫梁的截面積為1.8 mm2)，為確保整個機構能夠實現正常的運動，這對剪叉臂應為中間層的剪叉框。

圖3 剪叉臂

圖4 橫梁

剪叉支架的撐開過程及工作平臺的下降過程為：首先由外部電源供電，在電動推桿的作用下，將電能轉化為機械能，通過剪叉臂的橫梁將機械能作用于整個剪叉支架，最下部的剪叉臂與工作平臺通過螺釘彈簧相連接,當工作平臺受到斜向下的力后，開始下降，這樣整個工作平臺按照一定的速度規律開始下降，直至達到受電弓的最低位置，如圖5所示[4]。從圖5可以看出,受電弓的工作平臺從最初位置到達最低工作位置的過程中，所有層的剪叉臂的下降高度一致，由此可見剪叉支架的設計滿足基本工作要求。

1-上部滾軸；2-橫梁支撐板；3-中銷軸；4-下支撐銷軸；5-下橫梁；6-支撐耳；7-電動推桿圖5 工作平臺最大行程

2.2 上端固定支座

固定支座主要起到良好的固定作用，如圖6所示。其上部有與充電樁相對應的螺紋孔，通過螺栓將固定支座和充電樁連接起來。

圖6 上端固定支座

2.3 驅動裝置

電動推桿作為受電弓的動力裝置，它主要由24 V無刷直流電機、墊片、螺母、軸承、鍵和推桿等組成，如圖7所示。

圖7 電動推桿

結合實際情況對電動推桿定義相應的工作參數，對機構進行整體的運動分析，得到工作平臺速度變化曲線,如圖8所示。從圖8中可以看出：在運動的早期，平臺的下降速度比較大，隨著工作平臺速度的不斷下降，工作平臺的高度也不斷減小并最終趨于穩定，進一步說明了該裝置具有良好的穩定性，符合實際工作狀況。

圖8 工作平臺速度隨位移變化曲線

2.4 下端工作平臺

下端工作平臺主要由兩層構成，每一層的結構都呈對稱分布，如圖9所示。兩層之間采用螺栓連接，彈簧套在螺栓上可以起到一定的減震、緩沖作用。充電裝置安放在下端的工作平臺，整個工作平臺主要用來承受載荷，確保工作平臺有一定的剛度和強度,以有效延長受電弓的使用壽命[5]。

圖9 下端工作平臺

現對下端工作平臺進行強度校核，整個受電弓和充電裝置的重量作用于工作平臺的兩根橫梁上面，以其中的一根為例進行計算分析。橫梁長度為800 mm，充電裝置的質量為20 kg，整個受電弓的質量為35 kg。橫梁除了受到充電裝置的重量P1和受電弓的重量P2之外，橫梁兩端的鉸接處還會受到相應的支撐力F1和F2，如圖10所示。

圖10 橫梁的受力分析

橫梁對應的剪力方程為：

(1)

橫梁的彎矩方程為：

(2)

其中：X為橫梁上任意一點到橫梁左端點的距離。

通過方程做出相應的剪力圖和彎矩圖,如圖11所示。

從圖11中可以看出,危險截面位于橫梁的中間位置[6]，最大彎矩除以橫梁的橫截面積得到的應力值為63 MPa,小于Q235的許用應力值235 MPa，滿足設計的基本要求。

圖11 剪力圖和彎矩圖 圖12 受電弓的應力云圖

3 有限元分析

為確保受電弓架的可靠性，本文利用ANSYS有限元分析軟件對受電弓進行有限元分析，得到的仿真結果如圖12所示，結果進一步表明了理論設計的準確性和合理性。

4 結語

本文主要對受電弓進行設計分析，詳細闡明了受電弓架的4個部分，并對關鍵零部件進行了強度校核，最后進行了有限元分析，結果表明受電弓滿足可靠性、實用性的要求。