畢樹國

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司物流部，沈陽 110168）

0 引言

中國在粗放式工業(yè)化進(jìn)程中所遭遇的環(huán)境污染問題已經(jīng)到了刻不容緩的需要解決時刻。低碳減排成為政策，環(huán)保意識不斷提高，綠色交通勢在必行。電動汽車的“零排放”讓其成為未來交通設(shè)想中較為理想的交通工具。

電池不支持快充成為制約電動汽車快速發(fā)展的瓶頸，在繁忙的交通網(wǎng)絡(luò)中迅速的換電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)油然而生，這就需要相應(yīng)的快速、自動、可靠的換電設(shè)備。由于土地資源在城市發(fā)展中日益緊張，因此一步式換電設(shè)備因占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊，目前已經(jīng)成為主要的換電模式。

本文將對一步式換電設(shè)備進(jìn)行研制介紹，并對行走單元進(jìn)行設(shè)計計算。

1 一步式換電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

一步式換電設(shè)備是完成對電動汽車電量不足電池與電量充足電池的交換設(shè)備，一端與電池充電架對接，另一端與電動汽車對接。

當(dāng)電動汽車駛?cè)霌Q電指定區(qū)域時，換電設(shè)備上已經(jīng)預(yù)先準(zhǔn)備好了電量充足的電池，且設(shè)備已經(jīng)就緒。換電設(shè)備與電動汽車對接、解鎖、抽拉，把電量不足的電池從電動汽車上取下，通過旋轉(zhuǎn)把電量充足的電池送回到電動汽車，完成了電池的換電過程。換電設(shè)備再與電池充電架對接，把電量不足的電池放入電池充電架進(jìn)行充電，再把電量充足的電池放入設(shè)備，下次換電工作就緒，換電機器人完成操作，回到初始位置，如圖1 所示。

圖1 電池更換系統(tǒng)簡圖

2 一步式換電設(shè)備行走單元設(shè)計

一步式換電設(shè)備主要由行走單元、升降傾斜單元、旋轉(zhuǎn)單元、伸叉取送單元和電控系統(tǒng)組成。本文主要是對行走單元進(jìn)行設(shè)計計算［1-2］。

行走單元采用四輪結(jié)構(gòu)，兩輪驅(qū)動形式，由車架、驅(qū)動輪、隨動輪、控制柜、供電系統(tǒng)及驅(qū)動電機等組成。其中車架是行走單元主體，骨架的作用。

車架采用型材焊接框架，行走單元結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.1 行走電機選擇

圖2 行走單元結(jié)構(gòu)圖

電機減速機選擇，主要是選擇減速機的減速比，減速機輸出扭矩，輸出轉(zhuǎn)數(shù)，以及電機扭矩和功率的確定［3-4］。

式中：P靜為運行靜阻力；P摩為運行摩擦阻力；P坡為坡路上運行時須克服的重量分力；P風(fēng)為室外運行時由風(fēng)載荷引起的阻力。

由于一步式換電設(shè)備在室內(nèi)水平行走，P坡和P風(fēng)可以忽略不計。即P靜＝P摩。

式中：G為最大承載，G0為自重。

式中：K為滾動摩擦系數(shù)；μ為軸承摩擦系數(shù)?。籨為驅(qū)動軸直徑；D輪為驅(qū)動輪直徑；K附為附加摩擦阻力系數(shù)。

式中a為加速度。

行走輪轉(zhuǎn)數(shù)，即減速機輸出轉(zhuǎn)數(shù)：

式中v為行走輪速度。

式中S為安全系數(shù)。

式中：i為減速機減速比；ηJ為減速機效率。

式中：ηd為伺服電機效率。

2.2 車架計算

車架采用型材焊接［6-8］，兩側(cè)行走輪安裝面固定，舉升安裝面施加壓力以及自重，然后進(jìn)行分析，具體結(jié)果如圖3～圖7 所示。

圖3 車架受力圖

圖4 網(wǎng)格圖

圖5 屈服力圖

圖6 變形圖

圖7 安全系數(shù)分布圖

通過應(yīng)力分析、變形分析車架完全滿足要求。

2.3 整體吊裝分析

一步式換電設(shè)備整體完全組裝完成后，插入式圓柱形吊耳插入側(cè)面的4 個孔，利用吊帶進(jìn)行吊裝，分析車體的強度和剛度［9］，如圖8～圖10。

圖8 屈服力圖

圖9 變形圖

圖10 安全系數(shù)分布圖

3 分 析

表1 分析數(shù)據(jù)表

分析數(shù)據(jù)見表1。

4 結(jié)語

經(jīng)過分析車架的強度和剛度，行走單元車架完全滿足正常使用狀態(tài)的要求，也完全滿足設(shè)備在吊裝時的要求，能夠保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠的運行。

［1］Shigley J E，Uicher J J.Theory of machines and mechanisms［M］.New York：McGraw-Hill Book Company，1980.

［2］Rothbart H A.Mechnical Design and Systems Handbook［M］.New York：MeGraw-Hill Book，1964.

［3］李柱國.機械設(shè)計理論［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.

［4］American Chain Association.Chains for Power Transmission and Material Handling，Design and Applications Handbook［M］.New York：Marcel Dekkr，Inc.，1982.

［5］機械工程手冊編委會.機械工程手冊：傳動設(shè)計卷［M］.2 版.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［6］黃靖遠(yuǎn)，龔劍霞.機械設(shè)計學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1995.

［7］吳忠澤.機械零件設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：131.

［8］劉鴻文.材料力學(xué)：上冊［M］.北京：高等教育出版社，1996.

［9］成大先.機械設(shè)計手冊［M］.5 版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.