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(huán)境污染和能源危機問題的日益加重，新能源汽車蓬勃發(fā)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(fā)揮著舉足輕重的作用，作為電動巴士的重要配件設(shè)施，發(fā)展滯后的充電樁及相關(guān)的充電設(shè)備在一定程度上阻礙了電動巴士的發(fā)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(shù)領(lǐng)域的一項挑戰(zhàn)。本文設(shè)計了一種新型的電動大巴受電弓裝置，其結(jié)構(gòu)對稱，擁有良好的穩(wěn)定性，可以有效地放大平行位移，實現(xiàn)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(shè)計奠定了一定基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)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(zhì)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(xiàn)狀

歐洲使用充電線的接觸式充電設(shè)備，接觸式自動充電公交汽車在歐洲比較常見，公交車架設(shè)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(shè)計

本文設(shè)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(qū)動裝置和下部工作平臺四個部分的有機結(jié)合構(gòu)成一個整體，其結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(xiàn)電動巴士的充電過程。驅(qū)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(gòu)成受電弓的剪叉支架，它們以中心為對稱軸呈對稱分布?；顒愉N軸插入每個剪叉臂中心位置的沉頭孔，中心的銷軸作為轉(zhuǎn)動副連接一對剪叉臂(如圖3所示)，并且用來承受機構(gòu)運動過程產(chǎn)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(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)正常的運動，這對剪叉臂應(yīng)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(zhuǎn)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(guī)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(shè)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(yīng)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(qū)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(jié)合實際情況對電動推桿定義相應(yīng)的工作參數(shù)，對機構(gòu)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(wěn)定，進一步說明了該裝置具有良好的穩(wěn)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(gòu)成，每一層的結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(zhì)量為20 kg，整個受電弓的質(zhì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力值為63 MPa,小于Q235的許用應(yīng)力值235 MPa，滿足設(shè)計的基本要求。

圖11 剪力圖和彎矩圖 圖12 受電弓的應(yīng)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(jié)果如圖12所示，結(jié)果進一步表明了理論設(shè)計的準確性和合理性。

4 結(jié)語

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