陶俊龍，周喜燕，強(qiáng) 璽

（南通職業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226007）

電動自行車由于舒適、方便、價(jià)廉、零排放等優(yōu)點(diǎn)，成為被人們廣泛接受的常用交通工具。為了增加它的動力，電池大都采用48～72 V 及以上，已經(jīng)超出了人體直流安全電壓36 V。不充電時插座上的電極柱裸露在外，一旦有金屬物體接觸充電口易造成電池短路并產(chǎn)生火花。近年來電動車充電口傷人的新聞報(bào)道屢見不鮮，大多是小孩玩耍時將硬幣、鑰匙等金屬異物插入充電插座內(nèi)，造成電池短路，發(fā)生手部被灼傷等意外[1-2]。雖然目前部分電動自行車在充電口處增加了一些防護(hù)措施，但是效果并不理想，充電操作煩瑣，影響使用體驗(yàn)。針對上述現(xiàn)象，本文對電動車充電插座進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一款方便插拔的電動車防觸電安全充電插座，防止意外觸電、灼傷的同時，提高充電操作的便利性。

1 電動自行車充電保護(hù)措施分析

1.1 現(xiàn)有電動自行車充電保護(hù)措施

為了方便為電動車蓄電池充電，絕大部分電動自行車采用的是IEC60320 標(biāo)準(zhǔn)中的C14/13 接口，即常見的品字形結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)最大的隱患就是插座內(nèi)的電極柱暴露在外，且直接連接蓄電池的正負(fù)極，誤將導(dǎo)電材料插入充電口時，易造成短路，引發(fā)灼傷、火災(zāi)等安全事故。為避免該隱患的發(fā)生，目前采用的保護(hù)措施主要包括結(jié)構(gòu)保護(hù)和電路保護(hù)2 方面。

結(jié)構(gòu)保護(hù)方面，常見的措施是在充電插座上增加彈性防護(hù)蓋，充電時需撥開防護(hù)蓋，單手操作不方便，防護(hù)效果一般，某些情況下反而會激發(fā)小孩的好奇心，插入手指或者金屬異物等，引發(fā)安全事故。還有部分電動車通過采用特殊結(jié)構(gòu)的專用插頭插座進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)效果較好，但是其結(jié)構(gòu)形式與主流充電插座相差甚遠(yuǎn)，存在不通用的問題[3]，出行時需攜帶專用充電器，因此推廣起來較困難。

電路保護(hù)方面主要有以下幾種保護(hù)措施：①在充電插座正極到電池正極之間加裝切斷開關(guān)或者帶有探針的微動開關(guān)，不充電時關(guān)閉開關(guān)，插座正極不通電，從而起到保護(hù)作用[4]；②在充電插座正極到電池正極之間加裝1 根單向二極管，利用二極管正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟膯蜗驅(qū)щ娞匦?，使電流不能回流到充電極柱上；③在電動自行車充電口部分中引入一個短路保護(hù)電路，對預(yù)防由于充電口短路引發(fā)的安全事故有一定的作用[5]。

1.2 存在的問題

以上保護(hù)措施均不能從本質(zhì)上避免金屬異物進(jìn)入插座，在實(shí)際使用中還存在一些問題。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用常見的加彈簧蓋的方法，保護(hù)效果不理想，一些保護(hù)措施中設(shè)計(jì)或采用的特殊結(jié)構(gòu)的充電口，與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)插頭插座不能互換，給電動車的使用維修帶來了很多不便。在電路改造方面，增加的電路元器件自身耐疲勞性差，對使用工況有選擇性。頻繁充電使故障發(fā)生率增加，損壞之后更換不方便，增加了使用和維修的成本。利用單向?qū)щ娫淼谋Ｗo(hù)措施，不僅需要考慮散熱問題，還可能會影響充電器對蓄電池監(jiān)測的準(zhǔn)確性，造成無法正常的充電。另外，單向?qū)щ妼τ诒銛y式蓄電池不適用，也給應(yīng)急情況下從電動自行車上取電造成了困難。

2 防觸電安全充電插座設(shè)計(jì)原則

方便插拔的電動自行車防觸電安全充電插座設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列要求：①電動車不充電時，插座內(nèi)的電極柱應(yīng)與外界完全隔離，避免金屬物體插入插座造成意外接觸短路事故；②充電或者取電時應(yīng)插拔方便，電極柱能順利露出，并與插頭緊密接觸、牢固可靠，同時不需要進(jìn)行翻蓋、閉合開關(guān)等多余的操作；③保證合理的電氣間隙，即使插座內(nèi)部進(jìn)水或進(jìn)入異物，也能避免意外灼傷的隱患；④電動車插頭插座屬于標(biāo)準(zhǔn)件，現(xiàn)有電動車插頭插座大多采用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的三端子結(jié)構(gòu)，新設(shè)計(jì)的充電插座應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)中的C13 插座的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，從而避免使用時需更換插頭或充電器的情況，造成資源浪費(fèi)。

3 防觸電安全充電插座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了解決電動車充電口存在的安全問題，克服現(xiàn)有防觸電保護(hù)措施的不足，本文設(shè)計(jì)了一種方便插拔的電動車防觸電安全充電插座，其外觀如圖1 所示。該安全充電插座的本體部分結(jié)構(gòu)尺寸與傳統(tǒng)C3 插座完全一致，在其內(nèi)部增加輔助防護(hù)結(jié)構(gòu)，充電口方便觀察，可以完全替換現(xiàn)有插座，使用時不需要更換原有配件的結(jié)構(gòu)，具有廣泛的適用性。

圖1 方便插拔的電動車防觸電安全充電插座

3.1 新型防觸電結(jié)構(gòu)工作原理

該新型安全充電插座采用伸縮式防護(hù)門設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)展開圖如圖2 所示，利用鎖止開關(guān)上的圓柱銷來限制安全防護(hù)門的伸縮運(yùn)動。非充電狀態(tài)下防護(hù)門將插座本體內(nèi)部的電極柱與外界隔開，按壓其中一個鎖止開關(guān)或者其他部位，防護(hù)門不會被開啟；只有同時按壓2 個鎖止開關(guān)，防護(hù)門才可以縮進(jìn)插座本體內(nèi)部，露出電極柱，進(jìn)入正常充電狀態(tài)。該方式可以有效避免誤將硬幣、鑰匙等異物插入插座內(nèi)，從而提高充電插座的安全性能。

圖2 防觸電安全充電插座結(jié)構(gòu)展開圖

3.2 伸縮式防護(hù)門設(shè)計(jì)

伸縮式防護(hù)門采用阻燃性塑料制作，內(nèi)置于插座本體內(nèi)，工作時沿插座內(nèi)腔縱向移動，如圖3 所示。防護(hù)門上開設(shè)與電極柱位置對應(yīng)的品字形孔，用于露出和隱藏電極柱。防護(hù)門的外側(cè)與插座本體端面平齊，因此插座外側(cè)無需設(shè)計(jì)固定支座，不用為對應(yīng)插頭進(jìn)行加長設(shè)計(jì)。防護(hù)門的內(nèi)側(cè)上部設(shè)置有2 根相同的空心開口導(dǎo)向套，其內(nèi)部安裝有鎖止開關(guān)以及壓縮彈簧1。導(dǎo)向套的末端設(shè)置了限位封頭，起到封閉壓縮彈簧1的作用，同時還起到防止防護(hù)門脫落的作用。導(dǎo)向套圓周上開設(shè)有螺旋形的槽子，用于鎖止開關(guān)上圓柱銷的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向。當(dāng)鎖止開關(guān)軸向受力時，圓柱銷沿螺旋形槽改變方向。防護(hù)門的內(nèi)側(cè)下部設(shè)置有1 根導(dǎo)向柱，其與安全充電插座尾部的導(dǎo)向套筒配合，套筒內(nèi)安裝有壓縮彈簧2，起到插頭拔出后使防護(hù)門復(fù)位的作用。

圖3 伸縮式防護(hù)門工作示意圖

3.3 壓縮彈簧的選用

從圖3 中可以看出，防觸電安全充電插座內(nèi)包含2組壓縮彈簧，壓縮彈簧1 用于鎖止開關(guān)的復(fù)位，壓縮彈簧2 用于防護(hù)門的復(fù)位。正常狀態(tài)下，插入插頭時應(yīng)先使鎖止開關(guān)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，才能使防護(hù)門縮進(jìn)殼體內(nèi)部；拔出插頭時過程正好相反，先使防護(hù)門復(fù)位，再使鎖止開關(guān)復(fù)位。另外，充電時壓縮彈簧2 的壓力不能過大，否則插頭容易松動。由此可見，需對2組壓縮彈簧的參數(shù)進(jìn)行合理的選擇才能滿足上述要求。查詢《簡明機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊》，2 組彈簧材料選用碳素彈簧鋼65Mn，規(guī)格為B 級。選取壓縮彈簧1的線徑為Φ0.2 mm，外徑為Φ3 mm，自由高度為6 mm；壓縮彈簧2 的線徑為Φ0.3 mm，外徑為Φ3.5 mm，自由高度為20 mm，其作用力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 防觸電插座運(yùn)動仿真分析

4.1 三維模型的構(gòu)建

在SolidWorks 軟件建模環(huán)境下構(gòu)建導(dǎo)柱式防觸電安全充電插座的三維數(shù)字化模型。防觸電安全充電插座包含的零件多數(shù)為專用件，且結(jié)構(gòu)相對較常規(guī)，可通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、抽殼等操作完成零件的建模。插座中的壓縮彈簧為通用件，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，通過螺旋掃描功能完成建模。零件建模完成后，根據(jù)各零件間的裝配關(guān)系，在SolidWorks 裝配環(huán)境下，進(jìn)行防觸電充電插座的裝配，爆炸后的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 防觸電安全充電插座結(jié)構(gòu)爆炸圖

4.2 運(yùn)動仿真分析

運(yùn)用SolidWorks 運(yùn)動算例功能對導(dǎo)柱式充電插座內(nèi)部的防觸電結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬運(yùn)動仿真，驗(yàn)證防觸電結(jié)構(gòu)的打開和關(guān)閉過程，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用SolidWorks 軟件的運(yùn)動算例功能可以快速、便捷地反映機(jī)構(gòu)的仿真運(yùn)動、模擬圖形的運(yùn)動及裝配體中部件的直觀屬性。

防觸電安全充電插座運(yùn)動仿真分析的主要過程如下。

4.2.1 模型準(zhǔn)備

打開構(gòu)建好的充電插座裝配體模型，為方便觀察對裝配體中的零件進(jìn)行渲染和透明化處理，將模型調(diào)整到合適的角度，為進(jìn)行算例運(yùn)算做準(zhǔn)備，調(diào)整好的裝配體模型如圖5 所示。

圖5 調(diào)整好的裝配體模型

4.2.2 運(yùn)動算例參數(shù)設(shè)置

點(diǎn)擊“運(yùn)動算例2”按鈕展開運(yùn)動算例界面，如圖6 所示。

圖6 運(yùn)動算例界面

運(yùn)用運(yùn)動算例功能可以實(shí)現(xiàn)對裝配體運(yùn)動的模擬、物理模擬以及Motion 分析，考慮到創(chuàng)新設(shè)計(jì)的充電插座結(jié)構(gòu)小巧，承受的載荷較小且不單一，無需進(jìn)行復(fù)雜的物理模擬和Motion 分析，因此主要進(jìn)行防觸電結(jié)構(gòu)的裝配體運(yùn)動仿真，觀察其運(yùn)動過程。

根據(jù)防觸電插座的工作原理，通過添加馬達(dá)驅(qū)動來控制防觸電結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，另外通過鍵碼點(diǎn)的設(shè)置來確定結(jié)構(gòu)中各零部件的運(yùn)動順序。為了方便模擬，導(dǎo)柱開關(guān)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)來驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過運(yùn)動表達(dá)式來控制，如圖7 所示。其他運(yùn)動部分的運(yùn)動控制通過“時間線”區(qū)域的鍵碼點(diǎn)來設(shè)定。

圖7 導(dǎo)柱旋轉(zhuǎn)運(yùn)動函數(shù)表達(dá)式

4.2.3 運(yùn)動仿真動畫生成

完成參數(shù)設(shè)定后單擊“計(jì)算”按鈕，開始計(jì)算運(yùn)動算例。計(jì)算完成后單擊“播放”按鈕，動態(tài)反映插座內(nèi)部防觸電結(jié)構(gòu)的運(yùn)動過程。仿真運(yùn)動表明，正常充電的情況下，防觸電結(jié)構(gòu)可以順利打開，打開后的結(jié)構(gòu)如圖8 所示，此時電極柱露出與插頭連接，開始充電；插頭拔出后，防觸電結(jié)構(gòu)恢復(fù)到初始狀態(tài)，將電極柱與外界隔離。

圖8 防觸電結(jié)構(gòu)打開狀態(tài)圖

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)電動自行車充電插座存在的安全隱患，參考現(xiàn)有電動車充電插座結(jié)構(gòu)，以“安全性為主，操作方便為輔”為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種方便插拔的電動車防觸電安全充電插座，并對其工作時的運(yùn)動過程進(jìn)行仿真分析。該插座采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，可以有效防止意外觸電、灼傷等安全隱患。充電口方便觀察，避免了不必要的翻蓋、閉合開關(guān)等多余的動作，可以替換傳統(tǒng)電動自行車充電插座，提高了電動自行車充電的便利性，具有廣泛的適用性。