多级剪叉式新型充电大巴受电弓的设计

刘元昊，刘 晗，柴 瑞，陈育羽

(哈尔滨理工大学荣成学院，山东 威海 264300)

0 引言

当前，随着环境污染和能源危机问题的日益加重，新能源汽车蓬勃发展，其中也包含着电动大巴车。在缓解城市交通运输压力方面，电动巴士发挥着举足轻重的作用，作为电动巴士的重要配件设施，发展滞后的充电桩及相关的充电设备在一定程度上阻碍了电动巴士的发展和推广[1]。如何充分有效地对电动大巴车进行充电是电动大巴技术领域的一项挑战。本文设计了一种新型的电动大巴受电弓装置，其结构对称，拥有良好的稳定性，可以有效地放大平行位移，实现电动大巴充电桩精准定位的功能，为后期电动巴士充电装置的设计奠定了一定基础。

1 国内外研究现状

1.1 国内研究现状

目前国内的电动大巴充电主要分为一拖四普通群充、双枪充电和单枪充电等方式。普遍采用双枪直流快速充电的方式对电动巴士进行充电，需要工作人员从充电桩引出两条充电枪，这两条充电枪同时对需要充电的大巴车进行充电[2]。虽然这种充电模式可以在夜间无人用电的时候进行高效率的充电，但也存在一些弊端，如充电线枪质量过重、推拽不方便以及不便于进行高频率的插拔等问题。

1.2 国外研究现状

欧洲使用充电线的接触式充电设备，接触式自动充电公交汽车在欧洲比较常见，公交车架设有专门的双连杆式的专用受电弓，在公交车靠站时可以进行快速充电。

2 受电弓方案的设计

本文设计的是新型充电大巴的辅助充电工具受电弓，受电弓是电动巴士和充电桩连接的载体，电动巴士的充电过程如图1所示。受电弓通过剪叉支架、上端固定支座、驱动装置和下部工作平台四个部分的有机结合构成一个整体，其结构如图2所示。上端固定支座主要有两大作用：一是用来将受电弓固定在新型充电桩上，二是起到支撑作用。剪叉支架通过放大平行位移实现整个装置的上升和下降。工作平台与电动巴士的充电端口连接，实现电动巴士的充电过程。驱动装置将机械能作用于剪叉支架的横梁上，使每一层的剪叉支架收拢或者撑开。

图1 电动大巴充电过程

图2 新型充电大巴受电弓三维模型

2.1 受电弓剪叉支架

四幅剪叉臂相互连接构成受电弓的剪叉支架，它们以中心为对称轴呈对称分布。活动销轴插入每个剪叉臂中心位置的沉头孔，中心的销轴作为转动副连接一对剪叉臂(如图3所示)，并且用来承受机构运动过程产生的局部载荷。相邻两层之间的剪叉臂通过剪叉臂两端的孔采用销钉进行连接[3]。电动推杆安装在一对剪叉臂的横梁之间(如图4所示，空心横梁的截面积为1.8 mm2)，为确保整个机构能够实现正常的运动，这对剪叉臂应为中间层的剪叉框。

图3 剪叉臂

图4 横梁

剪叉支架的撑开过程及工作平台的下降过程为：首先由外部电源供电，在电动推杆的作用下，将电能转化为机械能，通过剪叉臂的横梁将机械能作用于整个剪叉支架，最下部的剪叉臂与工作平台通过螺钉弹簧相连接,当工作平台受到斜向下的力后，开始下降，这样整个工作平台按照一定的速度规律开始下降，直至达到受电弓的最低位置，如图5所示[4]。从图5可以看出,受电弓的工作平台从最初位置到达最低工作位置的过程中，所有层的剪叉臂的下降高度一致，由此可见剪叉支架的设计满足基本工作要求。

1-上部滚轴；2-横梁支撑板；3-中销轴；4-下支撑销轴；5-下横梁；6-支撑耳；7-电动推杆图5 工作平台最大行程

2.2 上端固定支座

固定支座主要起到良好的固定作用，如图6所示。其上部有与充电桩相对应的螺纹孔，通过螺栓将固定支座和充电桩连接起来。

图6 上端固定支座

2.3 驱动装置

电动推杆作为受电弓的动力装置，它主要由24 V无刷直流电机、垫片、螺母、轴承、键和推杆等组成，如图7所示。

图7 电动推杆

结合实际情况对电动推杆定义相应的工作参数，对机构进行整体的运动分析，得到工作平台速度变化曲线,如图8所示。从图8中可以看出：在运动的早期，平台的下降速度比较大，随着工作平台速度的不断下降，工作平台的高度也不断减小并最终趋于稳定，进一步说明了该装置具有良好的稳定性，符合实际工作状况。

图8 工作平台速度随位移变化曲线

2.4 下端工作平台

下端工作平台主要由两层构成，每一层的结构都呈对称分布，如图9所示。两层之间采用螺栓连接，弹簧套在螺栓上可以起到一定的减震、缓冲作用。充电装置安放在下端的工作平台，整个工作平台主要用来承受载荷，确保工作平台有一定的刚度和强度,以有效延长受电弓的使用寿命[5]。

图9 下端工作平台

现对下端工作平台进行强度校核，整个受电弓和充电装置的重量作用于工作平台的两根横梁上面，以其中的一根为例进行计算分析。横梁长度为800 mm，充电装置的质量为20 kg，整个受电弓的质量为35 kg。横梁除了受到充电装置的重量P1和受电弓的重量P2之外，横梁两端的铰接处还会受到相应的支撑力F1和F2，如图10所示。

图10 横梁的受力分析

横梁对应的剪力方程为：

(1)

横梁的弯矩方程为：

(2)

其中：X为横梁上任意一点到横梁左端点的距离。

通过方程做出相应的剪力图和弯矩图,如图11所示。

从图11中可以看出,危险截面位于横梁的中间位置[6]，最大弯矩除以横梁的横截面积得到的应力值为63 MPa,小于Q235的许用应力值235 MPa，满足设计的基本要求。

图11 剪力图和弯矩图 图12 受电弓的应力云图

3 有限元分析

为确保受电弓架的可靠性，本文利用ANSYS有限元分析软件对受电弓进行有限元分析，得到的仿真结果如图12所示，结果进一步表明了理论设计的准确性和合理性。

4 结语

本文主要对受电弓进行设计分析，详细阐明了受电弓架的4个部分，并对关键零部件进行了强度校核，最后进行了有限元分析，结果表明受电弓满足可靠性、实用性的要求。