一種電動車電池快換裝置

楊玉輝

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

汽車駕駛員操縱人機工程設計主要是根據人體操縱范圍和操縱力的測定，確定各操縱裝置的布置位置和作用力的大小，以使人體操縱自然、準確、輕便，并降低操縱疲勞程度。人機工程在乘用車上的研究和應用已經相當成熟，相應的法規標準日益完善[1]。但是針對客車，特別是中巴、大巴等中型和大型客車還沒有系統和全面的人機布置標準。本文主要針對客車駕駛員主要操縱人機工程內容進行解析。其中主要有轉向、組合開關、踏板幾個部分對人機感受有較大影響因素[2]。

1 總體方案

方案的重點就是將軸承布置在電瓶框上以提高操作的方便性和減少附件的數量（降低成本），下面是將軸承或者是滾輪布置在電瓶框下面的分析過程。

1.1 固定的幾個參數

（1）座椅框的尺寸：長1 360 mm（極限尺寸，由于裙板間的尺寸為1 372 mm，再加長就會碰到裙邊的壓板），寬325 mm（極限尺寸，由座椅排與排之間的距離決定），高338 mm（極限尺寸，主要受限于司機座H點與方向盤間的空間，司機座椅再加高對駕駛和上下車都有影響）。

（2）電瓶的形狀尺寸。綜合最大的外形尺寸分別為：長264 mm，寬 190 mm，高288 mm.

（3）電瓶的布置方案：根據電氣組給出的電瓶布置方案，前面兩排各6節（12節），后面4節，總共16節。

1.2 電瓶的擺放位置方案

司機座中間要過拉索，6節電池要分開成2組3節一起固定，中間要留出一定的空間（根據要求需要40的操作空間）最終電瓶的擺放位置如下圖1所示。

圖1 電瓶布置

電瓶總的長度：190 mm×6 mm=1 140 mm，兩邊的固定裝置及材料的尺寸需要90 mm的空間（單邊45 mm），拉鎖的操作空間40 mm，電瓶之間的固定最少需要的間隙10 mm*4（間隙個數）=40 mm上述總和為：1 310 mm，剩余兩個電瓶框可以利用的空間為：1 360 mm-1 310 mm=50 mm（不考慮上圖所示的電瓶框扶手所占的空間，因為將軸承布置在電瓶框下方可能不需要），這樣軸承在電瓶框長度方向可以利用的空間為50 mm.

1.3 軸承布置在電瓶框上的方案

軸承或者滾子所需要的個數。每個框需要4個，布置在電瓶框的兩端。一個電瓶的質量為30kg，一個電瓶框電瓶的質量大概為100 kg，這樣要求軸承軸的直徑為φ15 mm.

1.3.1 軸承布置在電瓶框的兩側可以應許的空間

可以應許的空間=325 mm（總寬）-264 mm（電瓶的長度）-20 mm（矩形管的尺寸）×2-5 mm（離門口最小的間隙，方便可以完成操作）×2-3 mm（電瓶框的材料厚度）×2=5 mm.顯然5 mm的間隙不足以布置兩個軸承的寬度。如圖2所示。

圖2 電瓶框尺寸

1.3.2 軸承布置在電瓶框的下端

電瓶框到地板的可以設計的高度為：338 mm（總高）-288 mm（電瓶的高度）-20 mm（翻轉框的高度）-10 mm（到頂部的空隙為方便操作）-5 mm（軸承與電瓶框間隙）=15 mm，因此軸承的最大外徑為15 mm.軸承軸的最小直徑為15 mm，加上要形成軸肩5 mm，大軸的直徑為20 mm，軸承的外徑最小為30 mm（根據承受的載荷所得）

（1）軸承軸布置在電瓶框的上端面，軸承軸為15 mm，所需要的空間估算為：15 mm（軸的直徑）×4+30 mm（電瓶框兩端的角鋼的寬度）×2=120 mm，現在根據2電瓶布置方案的陳述中只有50 mm的距離，顯然不能布置。

（2）滾子直接放置在下方如下圖3所示。

圖3 軸承尺寸

所需要的最小的高度為25 mm，高度上超出上面給出的20 mm的空間，按照上述的布置只能布置在電瓶與電瓶之間，兩排軸承間的距離就是一節電瓶的寬度190 mm，不利穩定也不方便推，而且要占用兩節電平間的空間，長度方向的距離也不一定夠。綜上所述布置在下方并不能直接將電瓶框推進座椅框內，即使用沉下去的導軌降低高度，下面的結構也對其有限制如圖4所示。

圖4 電瓶框結構

所以將軸承布置在電瓶框的下端此方案看似可行，但是在車的具體環境下不可行。因此選擇以前方案進行。

1.4 小車前輪位置

考慮扶手操作力對前輪位置的影響，做以下分析：受力分析定輪子位置如圖5所示小車。由于電池質量形狀尺寸以及小車總體尺寸是定值，電池裝在小車后整個小車快換機構重心位置可以確定。國家法規規定人抬小車受力不能大于10 kg.通過力學分析，如圖5，L1為人手受力點與小車快換機構重心的水平方向的距離，L2為小車快換機構重心與小車前輪中心之間的距離。

圖5 快換小車尺寸

根據力學平衡列出方程：

GL2/（L1+L2）≤F=10 kg

拿三節電池來計算，如果滿足要求則2節電池更能滿足。

已算得L1=759 mm，G=100 kg

計算得出：L2≤84.3 mm

而原設計：L2=107.5 mm，F=12.41 kg符合法規要求。

故輪位置使操作人員能夠比較輕松省力的完成工作。

1.5 小車后輪方案，扶手結構和方案

1.5.1 方案的初步選取

小車快換裝置做小車快換裝置后輪設計改進時有兩種方案：

（1）如圖6所示。

圖6 快換小車結構

后面采用2個小萬向輪，為防止小車停放在斜坡上發生滑動，萬向輪上加鎖止機構。此方案需求加2個鎖止結構，結構較復雜、成本較高。

（2）如圖7所示。

圖7 快換小車優化結構

小車后輪采用圓管替代（如以前建筑工地普遍使用的運現場攪拌好的混凝土機工車），可以實現制動功能，結構簡單，成本低。原來第三排由于是四節電瓶一起拆裝，因此評審時要求用四個輪子較為安全，現第四排改為2節電瓶一組，那么小車最多只裝3節電瓶，采用第二個方案在操作上沒有什么問題（車間有第二方案的樣車）。因此建議采用回第二個方案較為合理。并將此方案提交領導審批，得到認可。

1.5.2 方案可行性分析驗證

由于采用以上扶手方案，需要對扶手的強度進行計算分析，保證不會發生斷裂等。以圖8做扶手的力學分析。

圖8 尺寸分析

其中L2=107.5 mm，最危險處與重心距離 L3=278 mm.對扶手做簡化示意圖如圖9.

圖9 力學分析圖

根據受力分析可算得：

最危險處受力N=G L2/L3=386.7 N

由于扶手管材料為鋼20#-φ25×2.0

故τ=N/A=5.13 MPa

查得 [τ]=30 MPa 由于 τ<[τ]

故滿足強度安全要求。

1.6 小車，電瓶框增加軸承方案

由于小車與電動車地板之間有高度差，導致裝電瓶過程中存在電瓶進入座椅框時會卡死在軸承前面地板上，如圖10所示。當時考慮通過小車與地板高度差計算電瓶傾角α，但是電動車地板前排和后排高度差別較大，三排座椅會計算出3個值。考慮電瓶進入座椅框后便是水平狀態不存在此問題，此問題發生在電瓶處于小車與整車交接狀態下，所以提出增加一對軸承支撐電瓶使之平穩過渡到座椅框內。經過試驗驗證，找出電瓶卡死落點，根據距離在卡死點前增加軸承。座椅框外側3排軸承距離如圖11所示。

圖10 軸承分析

圖11 軸承分布尺寸圖

2 結論

方案完成后在試制車間實際做了樣件進行驗證，結果證明解決了以前卡滯的問題，因此此方案可行。該快換裝置已在某款電動觀光車產品中投入使用，使用效率較好。