0 引言

随着中国电动汽车的普及，相关安全问题日益受到重视。交流充电口的锁止装置不仅用于保护车辆电池安全、防止充电枪被盗用，更重要的是防止误操作引发触电、起火等人身安全风险。为此，国家相继出台多项标准对电子锁止装置进行规范。

目前市面上已有多款电子锁产品，但在实际应用过程中仍暴露出一些需要优化的问题，例如结构高度、防护等级及顶出力等关键参数难以兼顾，从而影响整车充电座的设计与可靠性。

本文介绍全新设计的一款电动汽车交流充电口电子锁，重点阐述该产品的内部结构设计与验证过程，并说明如何实现扁平化设计，以及提升防护等级与顶出力性能。

1 现有一代电子锁设计方案

我公司于2006年开发了一款微型车身执行器（以下简称“一代电子锁”），主要用于燃油车油箱盖锁止，如图1所示。随着电动汽车的发展，部分主流车型沿用了燃油车平台上较为成熟的执行器方案，因此一代电子锁也被用于电动汽车交流充电口锁止。

一代电子锁的工作方式为输出旋转力矩。为了满足电子锁止功能，通常需要在输出轴处增加运动转换机构，例如齿轮—齿条或凸轮机构，将旋转运动转换为线性运动，从而实现上锁与解锁。

图1 一代电子锁构造及应用场景

其主要优点包括：

（1）该产品开发时间接近20年，技术成熟，可靠耐用。

（2）仅需增加转换机构即可实现功能适配，开发周期短。

由于一代电子锁并非针对新国标要求设计，因此在实际应用中也存在明显不足。其原始应用场景为油箱盖旋转卡扣锁止，并未定义线性推力指标。增加转换机构后，受内部传动阻力影响，传动效率小于0.3，使得最终顶出力偏小，实测不足30N，见表1。在某些工况下可能出现锁止不可靠，导致无法充电或充电枪脱落等安全隐患。

此外，一代电子锁整体结构高度较大，防护等级仅为IP54；增加转换机构后成本进一步上升，且结构紧凑性不足，限制了充电座的造型与布置空间。

2 新电子锁设计理念

为满足新国标对交流充电接口锁止装置的要求，并解决现有方案在高度、顶出力与防护等级方面的不足，本文提出并设计一款新型电子锁（以下简称“二代电子锁”），其爆炸图如图2所示。该方案目标为降低结构高度、提高顶出力并提升防护等级。

图2 产品爆炸图

2.1 高度优化设计

为实现扁平化设计，同时避免转换机构带来的额外高度与成本增加，在结构优化过程中需充分考虑各零部件允许的最大高度限制，其传动布局如图3所示。电子锁行业普遍采用100号电机（尺寸15.4mm×20.4mm×38mm；常温堵转转矩10.6N·mm；空载转速13900r/min）。该电机成熟稳定、成本较低。为降低整体高度，本方案采用电机横置躺平的布局，以15.4mm作为执行器厚度的主要限制条件。同时，齿轮设计以15.4mm作为最大齿顶圆直径限制，并将传动结构尽量平面化布置，从而获得更低的整体高度。

图3 内部传动布局

电子锁行业普遍采用100号电机（尺寸15.4mm×20.4mm×38mm；常温堵转转矩10.6N·mm；空载转速13900r/min）。该电机成熟稳定、成本较低。为降低整体高度，本方案采用电机横置躺平的布局，以15.4mm作为执行器厚度的主要限制条件。同时，齿轮设计以15.4mm作为最大齿顶圆直径限制，并将传动结构尽量平面化布置，从而获得更低的整体高度。

线性输出传动方式常见方案包括齿轮齿条、凸轮机构和丝杠等。其中，凸轮机构磨损较大且占用空间较大；梯形丝杠传动效率低，适用于低速运动且寿命较短；滚珠丝杠成本较高。综合考虑后，本设计选用齿轮齿条作为最后一级线性输出传动方式。

此外，电子锁需具备应急解锁功能。当电驱动无法解锁时，必须能够通过外力强制解锁，否则充电枪将无法拔出。本文将应急解锁机构布置在执行器本体外侧，该布局具有更强的适配性，可满足不同拉线布置需求。同时，将解锁板与电气接口布置在同一侧面，可充分利用解锁板带来的高度空间，提高结构集成度。

优化结果表明：一代电子锁增加转换机构后整体高度达58.7mm；二代电子锁优化后整体高度为33mm，仅为一代方案的约一半，为充电座造型与布置提供了更充裕的设计空间。

2.2 顶出力优化设计及验证

最新国家标准GB/T20234.1—2023对锁止装置力值要求中规定：电子锁止装置处于解锁状态时，锁杆末端应能承受不小于30N的轴向（锁杆解锁方向）推力，启动电子锁止装置后，装置应能正常顶出至锁止位置。由此可知，电子锁需具备不低于30N的顶出力。

基于上述电机选型与空间布局优化，齿轮参数设计见表2。

总传动比 i=3.273×3×2.5×1=24.5475

最后一级堵转转矩 M_max=UN×η=10.6×24.5475×i×0.92×0.92×0.92×0.92≈186.4N·mm（式中UN=电机堵转扭矩，i=总传动比，η=设定总传动效率）

堵转力（瞬态冲击力）F_max=M_max/L=186.4/3.135≈59.46N（其中L=最后一级齿轮力臂）电子锁需满足30N的工作负载，则最后一级负载转矩为M_n´=F_n×L=30×3.135≈94N·mm

电机负载转矩则为M_n=M_n´/i/η≈5.3N·mm

运行负载转矩5.3N·mm<最大堵转矩×60%=10.6×60%=6.36N·mm。则可稳定驱动30N的工作负载（顶出力）。

顶出力主要用于顶出异物，瞬态冲击力则用于破冰等极端工况。

为验证理论设计的可行性，海拉实验室对该产品在寿命前后均进行了力值测试。测试结果见表3，数据表明该优化设计能够满足新国标不低于30N的顶出力要求，实测顶出力达到40N，且破冰力达到70N以上。

为进一步验证电子锁的破冰功能，测试过程中将电子锁置于-40℃环境下洒水，待水结冰后取出，并在9V低电压工况下进行测试（电子锁工作电压范围为9～16V，电压越低电机输出转矩越小）。试验结果表明，在最苛刻条件下仍可成功冲破冰层，试验前后对比如图4所示。

图4 电子锁极限工况破冰测试

2.3 防护等级设计优化与验证

最新国家标准GB/T20234.1—2023对充电接口防护等级要求中规定：未耦合的充电接口防护等级不低于IP54，耦合后的充电接口防护等级不低于IP55。一代电子锁防护等级为IP54，能够满足基本要求。为进一步提升产品可靠性，二代电子锁目标防护等级设计为IP67。

密封圈结构设计如图5所示，尺寸链验证见表4。主动密封点B的压缩量满足设计指导范围6%～18%，静态密封点E的压缩量同样满足设计指导要求，且未超过最大压缩量25%。

图5 密封圈设计

为进一步验证密封设计可靠性，对不同温度（-40℃、23℃、85℃）条件下的接触压力进行了有限元分析（FEA）。计算结果见表5，K型密封圈在不同温度下的应力应变均处于NBR材料属性范围内，且接触区域最大接触压力均大于0MPa，最小值为0.662MPa。

橡胶永久变形依据ASTMD395B压缩永久变形试验方法进行评估，限值为50%。考虑密封压力与压缩量近似呈正比例关系，则密封压力下限可估算为：0.662MPa×50%=0.331MPa

客户要求的密封压力为30kPa（0.03MPa），因此0.03MPa0.331MPa，仿真结果表明此方案可满足密封要求。

此外，本方案采用K型密封圈，唇口朝外，即使发生永久变形，在外部压力增大时也能够增强密封效果，有利于提高长期防护性能。

为实测验证电子锁防护等级，委托第三方实验室华测检测进行IP67测试。测试后电子锁功能正常，内部无粉尘与水侵入，验证通过。

3 结语

本文针对新国标要求，对电动汽车交流充电口电子锁进行了优化设计与验证，实现了扁平化结构、大顶出力输出及高防护等级的设计目标。同时给出了关键结构设计思路、力值验证与防护等级验证结果，可为车身执行器及充电接口锁止装置相关开发提供参考。

参考文献

[1] 成大.机械设计手册:单行本·机构·结构设计[M].北京:化学工业出版社,2025.

[2] 孙开元，郝振洁.机械密封结构图例及应用[M].北京:化学工业出版社,2017.

[3] 费多尔·L.李特文等齿轮几何与应用原理[M].北京:机械工业出版社,2022.

[4] 张春宜，郝广平，刘敏.减速器设计实例精解[M].北京:机械工业出版社,2022.

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