基于拓撲優(yōu)化的某商用車換電鎖止機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

摘要：換電技術(shù)是當今電動車補能的熱門技術(shù)，其主要解決的問題是，保證拆卸和裝載電池高效的同時，還必須保證行車過程中電池與汽車連接可靠。汽車對于換電鎖止機構(gòu)的核心功能需求，首先要實現(xiàn)快速連接與斷開，其次要確保穩(wěn)定性和可靠性，而且要實現(xiàn)自動化控制，最后要具備良好的耐久性。而換電機構(gòu)可靠和穩(wěn)定的核心，是保證電氣連接可靠和機械鎖止可靠。本文主要研究了目前換電商用車市場主流的限位式鎖止機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)，闡述了鎖止機構(gòu)的工作過程，分析了影響鎖止機構(gòu)可靠性的關(guān)鍵因素，解析了鎖止機構(gòu)失效的機理，進而通過有限元仿真和拓撲優(yōu)化的方法改進了其機械機構(gòu)，通過整車模擬裝配及耐久性試驗論證了上述結(jié)論，提升了鎖止機構(gòu)的可靠性。本文論述的設(shè)計方法能有效提升鎖止機構(gòu)的可靠性，具有一定的實際參考價值。

關(guān)鍵詞：換電技術(shù)；換電鎖止機構(gòu)；有限元分析；拓撲優(yōu)化

中圖分類號：U463.1 文獻標識碼：A

0 引言

隨著電動汽車的飛速發(fā)展，電動汽車補能問題日益成為人們關(guān)注的焦點，電動汽車充換電技術(shù)作為重點領(lǐng)域技術(shù)列入《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021 － 2035 年）》。換電技術(shù)具有補能高效、購車便宜、充電安全和提升電池壽命等核心優(yōu)勢[1]，日益成為當今商用電動車補能的熱門技術(shù)。換電技術(shù)主要解決的問題是，保證拆卸和裝載電池高效且可靠的同時，還必須保證行車過程中電池與汽車連接可靠。

汽車對于換電鎖止機構(gòu)的核心功能需求，首先要具備快速、高效的連接與斷開功能，以實現(xiàn)電池快速更換過程，從而提升補能效率。其次，要確保穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)計強度適當?shù)逆i止機制、接口結(jié)構(gòu)和連接件，以避免在行駛中出現(xiàn)松動、脫落或不穩(wěn)定的情況。再次，鎖止系統(tǒng)應(yīng)具備自動化控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動鎖止和解鎖，從而簡化操作流程，提高用戶友好性。最后，要具備良好的耐久性，應(yīng)能經(jīng)受頻繁的電池更換操作和長時間的使用，而不會出現(xiàn)過早磨損、斷裂或失效等問題[2]。隨著換電商用車覆蓋的用戶場景日趨廣泛，工況復(fù)雜且惡劣，換電機構(gòu)可靠性尤為重要。而換電機構(gòu)可靠的核心是，保證電氣連接可靠和機械鎖止可靠。

本文主要針對目前換電商用車市場主流限位式鎖止機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)進行研究，分析鎖止機構(gòu)的工作過程，以解析出影響鎖止機構(gòu)可靠性的關(guān)鍵因素，分析鎖止機構(gòu)失效的機理。進而通過有限元仿真和拓撲優(yōu)化的方法改進機械機構(gòu)，通過整車模擬裝配及耐久性試驗論證上述結(jié)論，提升鎖止機構(gòu)的可靠性。

1 鎖止機構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成分析

我司某換電商用車車型采用行業(yè)主流的限位式氣動鎖止機構(gòu)，其相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。換電鎖止機構(gòu)主要部件包括：底托托架、上框框架、氣缸、導(dǎo)向柱、快換連接器、定位銷、鎖止銷、鎖止膠墊、鎖止墊片、限位板、連接板、壓縮彈簧、車架、電磁閥、氣管、磁力開關(guān)及相關(guān)控制器和電路。

其中，氣缸、鎖止銷、鎖止膠墊、電磁閥、氣管、磁力開關(guān)及相關(guān)控制器和電路組成鎖止機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)；導(dǎo)向柱、定位銷和限位板組成鎖止機構(gòu)的限位結(jié)構(gòu)；快換連接器和浮動壓縮彈簧組成鎖止機構(gòu)的電器連接結(jié)構(gòu)。底托托架通過連接板等連接結(jié)構(gòu)，與車架機械連接組成鎖止機構(gòu)的承載結(jié)構(gòu)，鎖止機構(gòu)負責將上框框架與底托進行鎖止或解鎖。其中，底托托架是整個換電系統(tǒng)最主要的承載結(jié)構(gòu)，其強度和剛度對鎖止結(jié)構(gòu)的可靠性尤為重要。

1.2 工作過程分析

車端換電過程，通?？啥x為限位過程和鎖止過程。限位過程中，通過底托托架上的導(dǎo)向柱、定位銷、限位板及快換連接器自帶的導(dǎo)向銷，將上框框架與底托托架進行定位。該過程除保證上述定位結(jié)構(gòu)的尺寸精度外，還應(yīng)設(shè)計滿足快換連接器安全使用拔插力要求的浮動式壓縮彈簧，確保底托托架端與上框框架端的快換連接器能精準對插的同時，可靠連接。

鎖止過程中，整車端控制器先進行磁力開關(guān)及快換連接器的狀態(tài)檢測，如符合解鎖或鎖止條件時，控制器向電磁閥發(fā)送解鎖或鎖止指令。電磁閥通過進排氣管調(diào)用整車氣源，調(diào)整氣缸中氣壓狀態(tài)，控制鎖止銷伸縮。底托托架上的鎖止銷與上框框架上的鎖止墊片間隙配合，實現(xiàn)底托托架與上框框架的鎖止或解鎖。

1.3 關(guān)鍵特性分析

限位式鎖止機構(gòu)有2 個顯著特征。一是快換連接器是浮動式壓縮彈簧結(jié)構(gòu)，壓縮彈簧預(yù)緊后的工作載荷過大會損壞快換連接器，過小會降低快換連接器的連接可靠性。二是鎖止銷與鎖止墊片間是間隙配合，間隙過大會造成行車過程中上框框架上跳量過大。沖擊力過大可能會損壞鎖止結(jié)構(gòu)，而上跳量過大則會導(dǎo)致壓縮彈簧工作載荷降低，從而降低快換連接器的連接可靠性。

綜上所述，影響換電機構(gòu)鎖止可靠性的主要參數(shù)包含鎖止銷與鎖止墊片的間隙及壓縮彈簧可靠壓縮量（圖2）。更直觀的表述，是在保證鎖止銷與鎖止墊片不干涉的前提下，還必須保證壓縮彈簧的工作載荷滿足快換連接器的拔插力和保持力的要求[3]。

1.4 理論設(shè)計分析

我司商用車換電鎖止機構(gòu)，采用6 個鎖止銷（底托2 端各一個，中部均布4 個）及9 個浮動彈簧，均布支撐4 個快換連接器的結(jié)構(gòu)。優(yōu)化前未考慮底托托架的變形等異常情況，僅考慮底托托架與上框框架的相對狀態(tài)。將設(shè)計時考慮影響換電機構(gòu)鎖止可靠性的主要理論參數(shù)定義如下：a——中部鎖止銷與鎖止墊片間隙；b ——兩端鎖止銷與鎖止墊片間隙；L ——浮動式彈簧壓縮量； F 總——彈簧總工作載荷；F 單——單連接器受力定；Fa——單連接器可靠插拔力；Fb——單連接器可靠保持力。

理論狀態(tài)下，換電鎖止機構(gòu)參數(shù)如表1 所述。由此不難看出，不考慮底托托架及上框框架變形的現(xiàn)象，當上框處于靜止狀態(tài)時，底托托架與上框框架無間隙，鎖止銷與鎖止墊片的理論間隙a =b =6.0 mm ＞ 0，滿足鎖止銷伸縮空間要求。當上框處于靜止狀態(tài)時，彈簧理論壓縮量為10.0 mm，F(xiàn) 單=292.5 N，滿足Fa、Fb 要求；當上框處于上跳狀態(tài)時，彈簧的理論壓縮量為4.0 mm，F(xiàn) 單=117.0 N，滿足Fa、Fb 要求，連接器理論受力狀態(tài)滿足可靠插拔力和保持力要求。

1.5 鎖止失效機理分析

實車狀態(tài)下，車架、底托托架和上框框架等大尺寸結(jié)構(gòu)件存在較大尺寸公差。尤其是當車架與底托寬度方向出現(xiàn)極限尺寸偏差時，采用連接板等連接結(jié)構(gòu)將底托托架與車架裝配后，底托托架兩端易出現(xiàn)向下彎曲或向上翹起等異常變形情況。

采用hypermesh 軟件進行靜力學仿真分析[4]，當860.0 mm寬車架寬度方向尺寸出現(xiàn)-5.0 mm 的極限尺寸偏差，860.0 mm寬底托托架寬度方向尺寸出現(xiàn)+2 mm 極限尺寸偏差時，底托托架兩端向下彎曲變形。當860.0 mm 寬車架寬度方向尺寸出現(xiàn)+5.0 mm 極限尺寸偏差，860.0 mm 寬底托托架寬度方向尺寸出現(xiàn)-2.0 mm 極限尺寸偏差時，底托托架兩端向上翹起變形。因此，應(yīng)重點關(guān)注快換連接器處、中部鎖止銷處和兩端鎖止銷處底托托架變形，其變形云圖及變形量如圖3 所示。

進一步分析，當?shù)淄型屑軆啥顺霈F(xiàn)上述向下彎曲變形時，中部與兩端最大變形量為8.4 mm，不考慮上框框架變形的情況下，靜止狀態(tài)下，兩端鎖止銷與鎖止墊片b ＜ 0，實際已出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，解鎖或鎖止時鎖止銷易出現(xiàn)卡滯的失效現(xiàn)象。當?shù)淄型屑軆啥顺霈F(xiàn)上述向上翹起變形時，中部與兩端最大變形量為8.0 mm，靜止狀態(tài)下，快換連接器處壓縮彈簧工作載荷F 單=58.5 N，不滿足Fa、Fb 要求，易出現(xiàn)連接器插接不可靠的失效現(xiàn)象（表2）。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 拓撲優(yōu)化設(shè)計

上述分析表明，當?shù)淄型屑馨l(fā)生嚴重彎曲變形時，會影響換電鎖止機構(gòu)的可靠性。因此，保證底托托架的剛度，對于提升換電鎖止機構(gòu)的可靠性尤為重要。在保證零件剛度的同時，實現(xiàn)輕量化設(shè)計，是底托托架設(shè)計的目標。拓撲優(yōu)化是在給定的設(shè)計空間尋找最優(yōu)形狀和材料布局的數(shù)學算法[5]。采用Hyperworks/Optistruct 軟件，以質(zhì)量最小、剛度最大為優(yōu)化目標，得到底托托架的拓撲優(yōu)化結(jié)果。再根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，進行優(yōu)化方案設(shè)計，實現(xiàn)降重10 kg 左右（圖4）。

2.2 仿真分析驗證

采用hypermesh 軟件進行靜力學仿真分析，當車架和底托托架寬度方向尺寸出現(xiàn)極限尺寸偏差時，分析優(yōu)化后底托托架變形情況（圖5）。由此可見，優(yōu)化后的底托托架方案在實現(xiàn)降重的同時，提升了一定的剛度。

由上述仿真分析結(jié)果可知，當?shù)淄型屑軆啥讼蛳聫澢鷷r，中部與兩端最大變形量由優(yōu)化前的8.4 mm 降低至4.6 mm。靜止狀態(tài)下，底托托架兩端鎖止銷與鎖止墊片間隙a 、b 均小于0，干涉現(xiàn)象消除，滿足鎖止銷伸縮空間要求。靜止狀態(tài)或上跳狀態(tài)下，單連接器受力F 單均滿足可靠插拔力和保持力要求。當?shù)淄型屑軆啥讼蛏下N起變形時，中部與兩端最大變形量由優(yōu)化前的8.0 mm 降低至4.2 mm。同樣，靜止狀態(tài)下，底托托架兩端鎖止銷與鎖止墊片間隙a 、b 均大于0，滿足鎖止銷伸縮空間要求。靜止狀態(tài)或上跳狀態(tài)下，單連接器受力F 單均滿足靠插拔力和保持力要求（表3）。

以上分析數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的底托托架剛度提升后，有助于提升換電鎖止機構(gòu)的鎖止可靠性。但由于有限元模型的局限性，其數(shù)值不能作為證明鎖止可靠的直接依據(jù)。為進一步驗證優(yōu)化后底托的改善效果，需對實車進行裝配驗證及鎖止耐久性試驗。

3 實車驗證

3.1 實車裝配驗證

將優(yōu)化后的底托托架進行實車裝配驗證，采用855.0 mm寬車架與862.0 mm 寬底托托架進行裝配驗證，底托托架兩端向下彎曲變形，中部與兩端最大變形量為4.0 mm，略低于仿真分析的4.6 mm。當865.0 mm 寬車架與858.0 mm 寬底托托架進行裝配驗證，底托托架兩端向上翹起變形，中部與兩端最大變形量為3.0 mm，略低于仿真分析的4.2 mm（圖6）。

3.2 實車臺架驗證

通過整車可靠性試驗驗證后的換電機構(gòu)，搭建鎖止機構(gòu)臺架耐久試驗工裝來進一步驗證鎖止機構(gòu)的耐久性。

試驗設(shè)備：直流穩(wěn)壓電源1 個、電感式接近開關(guān)1 個、時間繼電器1 個、氣缸6 個、PLC 模塊1 套、電磁閥1 個、底托托架1 個以及上框框架1 個。

試驗方法：將底托托架和上框框架按實車狀態(tài)裝配后，采用直流穩(wěn)壓電源、電感式接近開關(guān)、時間繼電器及PLC 模塊組成的自動按壓、計數(shù)設(shè)備，按壓電磁閥上的解鎖/ 鎖止開關(guān)并記錄解鎖/ 鎖止次數(shù)，觀察鎖止機構(gòu)試驗情況，直到完成5 000 次解鎖/ 鎖止后，停止試驗（圖7）。

驗證結(jié)果表明：優(yōu)化后，鎖止銷與鎖止墊片未發(fā)生干涉等機械失效現(xiàn)象，快換連接器接插性能良好，未出現(xiàn)電器連接失效等異常現(xiàn)象，換電鎖止機構(gòu)可靠性滿足安全使用要求。

4 結(jié)束語

本文通過研究換電商用車市場主流的限位式鎖止機構(gòu)，分析了影響鎖止機構(gòu)機械結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵因素，解析了鎖止機構(gòu)機械失效的機理，進而通過拓撲優(yōu)化及有限元仿真分析，優(yōu)化了鎖止機構(gòu)結(jié)構(gòu)。最終通過試驗論證了上述結(jié)論，提升了鎖止機構(gòu)的可靠性?？梢?，通過本文論述的設(shè)計方法能有效提升鎖止機構(gòu)的可靠性，具有一定的實用價值。

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作者簡介：

文楚，本科，工程師，研究方向為商用車新能源動力電池系統(tǒng)設(shè)計及可靠性。