陳辛波，杭鵬，吳憲，3，葉大衛(wèi)

(1．同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804;2．同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804;3．同濟(jì)汽車設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海201804)

軸距可變微型電動(dòng)車整車構(gòu)型與性能分析*

陳辛波1，2，杭鵬1，吳憲1，3，葉大衛(wèi)1

(1．同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804;2．同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804;3．同濟(jì)汽車設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海201804)

為提高城市居民個(gè)性化電動(dòng)車輛的行駛機(jī)動(dòng)性，并有效減小其駐車占地面積，研制了一種軸距可變的微型電動(dòng)概念車。首先，基于整車設(shè)計(jì)目標(biāo)，研究了軸距可變微型電動(dòng)車整車構(gòu)型;進(jìn)而，為提高行駛機(jī)動(dòng)性和系統(tǒng)集成度，提出一體化線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向－懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、基于梯形絲杠和連桿機(jī)構(gòu)組合的底盤變軸距機(jī)構(gòu)，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確認(rèn)其預(yù)期效果;最后，利用CarSim軟件進(jìn)行仿真，對(duì)比分析底盤折疊和展開狀態(tài)下的制動(dòng)性能、行駛平順性和雙移線性狀，以評(píng)估整車的動(dòng)力學(xué)性能。

微型電動(dòng)車;變軸距;線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

前言

微型電動(dòng)車體積小，質(zhì)量輕，機(jī)動(dòng)靈活，在節(jié)能環(huán)保、解決城市交通擁堵與停車?yán)щy的問題和個(gè)性化交通出行等方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。通常，城市居民每日行駛里程相對(duì)較短，微型電動(dòng)車即能滿足大部分人的日常出行需求。因此，優(yōu)先發(fā)展適用于城市居民的微型電動(dòng)車，使其成為中國的“國民車”，值得期待［1］。實(shí)際上，為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境、能源和交通問題，豐田公司很早就進(jìn)行了城市微型電動(dòng)車的研發(fā)，先后推出了PM，i-Unit，i-Swing，i-Real和i-Road等微型電動(dòng)車［2－3］;通用公司也開發(fā)了EN-V系列微型電動(dòng)車，同時(shí)引入智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，將主動(dòng)安全和無人駕駛技術(shù)應(yīng)用于微型電動(dòng)車［4］。其中，通過調(diào)整軸距、改變車身姿態(tài)，使微型電動(dòng)車兼?zhèn)淞己玫牡退凫`活性和高速穩(wěn)定性，是微型電動(dòng)車整車構(gòu)型設(shè)計(jì)的重要方向。i-Unit概念車的底盤車架采用多連桿機(jī)構(gòu)形式，在縮短軸距的同時(shí)牽動(dòng)座椅上升，以縮短車體長度并改變駕駛者坐姿［5］;美國麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室與西班牙政府合作開發(fā)的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向微型折疊式電動(dòng)汽車Hiriko，則以曲柄滑塊式折疊底盤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整車折疊［6］;文獻(xiàn)［7］中采用四連桿機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了軸距可變、可折疊的超微型電動(dòng)汽車;韓國科學(xué)技術(shù)院研究人員采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了可折疊的微型電動(dòng)車以減小停車空間［8－9］。

簡單高效的變軸距機(jī)構(gòu)，有助于提高電動(dòng)車底盤的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性，并有效減小駐車占地面積?，F(xiàn)有的變軸距機(jī)構(gòu)大多采用連桿機(jī)構(gòu)，制造容易，但車身舉升角度較小，車身后懸較大，折疊效果不佳，且機(jī)構(gòu)效率低，機(jī)構(gòu)的內(nèi)構(gòu)件受力大［6］。針對(duì)現(xiàn)有變軸距機(jī)構(gòu)的不足，本文中提出一種結(jié)構(gòu)簡單且運(yùn)行高效的微型電動(dòng)車變軸距機(jī)構(gòu)，結(jié)合線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)，使該微型電動(dòng)車在低速和駐車時(shí)可縮小軸距以提高機(jī)動(dòng)性、減小駐車占地面積，而在高速時(shí)能增大軸距、降低質(zhì)心，以提高操縱穩(wěn)定性。

1 整車構(gòu)型

面向城市用戶的軸距可變微型電動(dòng)車要求使用方便、安全，車型介于A00級(jí)和微型電動(dòng)代步工具之間，可以進(jìn)入電梯、樓道等狹小空間。設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿載質(zhì)量300kg，續(xù)航里程50km，最高車速30km/h，0～20km/h加速時(shí)間小于5s。樣車結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)如表1所示，其軸距變化范圍為178～1 250mm。

圖1為試制的軸距可變微型電動(dòng)車樣車。其中，圖1(a)為軸距最長時(shí)的底盤展開姿態(tài)，圖1(b)為軸距最短時(shí)的底盤折疊姿態(tài)。樣車單人駕乘，采用后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為兩個(gè)直流無刷輪轂電機(jī);考慮到前軸所受載荷較小，前輪選用較小尺寸輪胎。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)入電梯和入戶功能，對(duì)整車機(jī)動(dòng)性和靈活性提出較高要求。在最短軸距狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)最小的轉(zhuǎn)向半徑(瞬心位于后軸中心)，要求兩前輪最大轉(zhuǎn)向角大于66°，采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)難以滿足要求。為此，本文中提出線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過各前輪的獨(dú)立轉(zhuǎn)向控制，精確實(shí)現(xiàn)左右前輪之間的阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系，其轉(zhuǎn)角范圍可滿足兩前輪最大轉(zhuǎn)角需求。前軸采用燭式懸架，后軸采用拖曳臂扭轉(zhuǎn)梁式懸架，并通過前懸架系統(tǒng)與線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，謀求結(jié)構(gòu)緊湊。由于整車質(zhì)量較輕、車速不高，僅用后輪制動(dòng)即可滿足制動(dòng)要求?？紤]操縱輕便性和制動(dòng)力要求，選用具有電子輔助功能的后輪液壓制動(dòng)系統(tǒng)。

表1 樣車結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)

圖1 軸距可變微型電動(dòng)車樣車

2 一體化線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向-懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，使用轉(zhuǎn)向電機(jī)作為轉(zhuǎn)向動(dòng)力源，一體化線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向-懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)向電機(jī)集成到懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架的一體化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高等特點(diǎn)。文獻(xiàn)［10］和文獻(xiàn)［11］中針對(duì)雙橫臂懸架提出了一種一體化線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向-懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改善懸架性能。文獻(xiàn)［12］中在全方位線控四輪轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中對(duì)雙橫臂懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)?？紤]到微型電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)緊湊，懸架布置空間較小，借鑒飛機(jī)起落架的轉(zhuǎn)向懸架結(jié)構(gòu)形式，在燭式懸架的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一體化線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向-懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 一體化線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向-懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

一體化線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向-懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、轉(zhuǎn)角傳感器、螺旋彈簧、減振器、轉(zhuǎn)向節(jié)總成和滑套總成等部件組成。蝸輪蝸桿減速器一端連接轉(zhuǎn)向電機(jī)，另一端通過花鍵連接滑套總成上端，轉(zhuǎn)角傳感器安裝在滑套總成上端實(shí)時(shí)檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)角，減振器兩端分別通過緊固件連接滑套總成和轉(zhuǎn)向節(jié)總成，上下擺臂分別鉸接于滑套總成和轉(zhuǎn)向節(jié)總成，上下擺臂之間通過鉸接實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向節(jié)總成的上滑柱與滑套內(nèi)表面為間隙配合可實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，螺旋彈簧套在轉(zhuǎn)向節(jié)總成的上滑柱表面，兩端分別固接在滑套總成和轉(zhuǎn)向節(jié)總成上。一體化線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向-懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能時(shí)，轉(zhuǎn)向動(dòng)力從轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速增矩，再傳遞給滑套總成和上下擺臂，最終傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)總成以實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。車輛在行駛過程中，轉(zhuǎn)向節(jié)總成的上滑柱在滑套總成中滑動(dòng)，隨著車身振動(dòng)壓縮螺旋彈簧和減振器，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向與減振功能。

由于采用了線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向形式，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)只需對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和選型，已知相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

由于展開時(shí)主銷后傾較大，且主銷與車輪接地點(diǎn)的偏距較大，地面對(duì)車輪的垂向作用力的分力對(duì)電機(jī)造成一個(gè)明顯的附加轉(zhuǎn)矩，所以電機(jī)在不轉(zhuǎn)向時(shí)仍然工作，單側(cè)靜態(tài)附加轉(zhuǎn)矩為

單側(cè)地面極限附著力為

轉(zhuǎn)向時(shí)單側(cè)縱向力為

轉(zhuǎn)向時(shí)單側(cè)側(cè)向力為

單側(cè)縱向力造成的轉(zhuǎn)矩為

單側(cè)側(cè)向力造成的轉(zhuǎn)矩為

單側(cè)轉(zhuǎn)向總轉(zhuǎn)矩為

則電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為

從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，應(yīng)讓電機(jī)額定功率滿足車輛最常用的行駛狀態(tài)，常態(tài)下，前軸滿載軸荷Ma1= 140kg，將表2設(shè)計(jì)參數(shù)代入式(1)～式(8)，得電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為

考慮轉(zhuǎn)向響應(yīng)和執(zhí)行時(shí)間，選取電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n=3000r/min，則電機(jī)額定功率為

根據(jù)上述計(jì)算，選取轉(zhuǎn)向電機(jī)的參數(shù)見表3。

3 軸距可變機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

為使微型電動(dòng)車的軸距可變機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行高效，本文中采用了絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，考慮到軸距變化到某一長度須使機(jī)構(gòu)固定形態(tài)，即設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)應(yīng)具有自鎖功能，故采用梯形絲杠機(jī)構(gòu)作為軸距可變機(jī)構(gòu)。圖3為安裝在樣車上的軸距可變機(jī)構(gòu)實(shí)物樣機(jī)，絲杠螺母與絲杠電機(jī)的轉(zhuǎn)子固接，并安裝在前車架上，可與前車架相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠右端通過桿端軸承安裝在后車架上，可繞后車架轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)現(xiàn)軸距變化過程中，通過調(diào)節(jié)絲杠電機(jī)的運(yùn)動(dòng)可改變螺母在絲杠上位置的變化，使前后車架的夾角發(fā)生變化，最終達(dá)到改變軸距的目的。

梯形絲杠推力Fa與電機(jī)轉(zhuǎn)矩Ta的關(guān)系式為

式中:L為絲杠導(dǎo)程;K為絲杠進(jìn)給效率，一般取0.5，若絲杠導(dǎo)程選為3．175mm，F(xiàn)a=1000N，則Ta= 1．01N·m。絲杠步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)如表4所示。

表4 絲杠步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)

圖4為軸距可變微型電動(dòng)車底盤機(jī)構(gòu)簡圖。按車輛靜止?fàn)顟B(tài)對(duì)軸距可變機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，鑒于后軸承載比重較大，所受摩擦阻力也較大，故假設(shè)車輛后輪固定，與路面無相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖4 軸距可變微型電動(dòng)車底盤機(jī)構(gòu)簡圖

取閉環(huán)鏈BCDB，由余弦定理可得

將上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得

式中:vD為絲杠螺母相對(duì)于絲杠的移動(dòng)速度;θ為前后車架的夾角。

取閉環(huán)鏈ACEFA，建立矢量方程:

上式為機(jī)構(gòu)的位置方程，將其對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程:

式中vE為前輪相對(duì)于后輪的移動(dòng)速度。

根據(jù)平面幾何關(guān)系可知

由上述方程求解軸距可變機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，已知量為:AC=441．2mm，CE=863．2mm，BC=165mm，DC=156mm，AF=86．8mm，∠ACB=9°，∠DCE= 25°，初始位置BD=85．3mm，設(shè)定絲杠電機(jī)進(jìn)給速度vD=12．7mm/s。在MATLAB軟件中進(jìn)行求解，得到絲桿工作長度與微型電動(dòng)車軸距的變化關(guān)系和在絲杠電機(jī)勻速進(jìn)給下軸距隨時(shí)間的變化關(guān)系，分別如圖5和圖6所示，可以得到絲桿的有效工作長度為85.3～266mm，變化量為180.7mm，軸距變化范圍為780～1 250mm，從折疊狀態(tài)變換到展開狀態(tài)總共耗時(shí)14．23s，整個(gè)變換過程很平滑，沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，不會(huì)對(duì)乘坐舒適性造成影響。

圖6 軸距隨時(shí)間變化關(guān)系

4 整車動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用CarSim整車動(dòng)力學(xué)仿真軟件，對(duì)制動(dòng)試驗(yàn)、行駛平順性試驗(yàn)和雙移線試驗(yàn)3種工況進(jìn)行仿真，分別就折疊狀態(tài)和展開狀態(tài)兩種模式進(jìn)行測(cè)試，得到兩種狀態(tài)下整車各項(xiàng)性能的對(duì)比。

4．125km/h時(shí)速下制動(dòng)性仿真

該工況模擬了車輛以25km/h時(shí)速緊急制動(dòng)試驗(yàn)。在折疊和展開兩種狀態(tài)下，車身質(zhì)心縱向速度和車身俯仰角的變化曲線如圖7所示。由圖7(a)可見，展開狀態(tài)下制動(dòng)效果明顯優(yōu)于折疊狀態(tài)，這是由于展開狀態(tài)質(zhì)心位置較折疊狀態(tài)低了130mm，且軸距長了470mm，使制動(dòng)時(shí)前后軸載荷偏移率減小，能更好地發(fā)揮后輪制動(dòng)的效果。且在折疊狀態(tài)下以25km/h時(shí)速緊急制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致車輪抱死，繼而使車輪在路面上發(fā)生滑動(dòng)摩擦，需要6s時(shí)間才能完成制動(dòng)。而由圖7(b)可見，除1－2s時(shí)段外的大部分時(shí)間內(nèi)，展開狀態(tài)的車身俯仰角都比折疊狀態(tài)的幅值小得多，且變化更加平穩(wěn)。此外，制動(dòng)試驗(yàn)仿真結(jié)果也表明折疊狀態(tài)應(yīng)限制行駛速度，以防止危險(xiǎn)情況發(fā)生。

圖725km/h時(shí)速制動(dòng)仿真試驗(yàn)

4．225km/h時(shí)速行駛平順性仿真

該工況模擬了車輛以25km/h的時(shí)速行駛在起伏路面上的平順性試驗(yàn)。在路面為正弦掃頻輸入，車身俯仰角以及車身質(zhì)心垂向加速度變化情況如圖8所示，在前期路面起伏頻率較低階段，兩種狀態(tài)下車身俯仰角波動(dòng)非常接近，到了后期起伏頻率逐漸提高后，展開狀態(tài)的波動(dòng)較大。從質(zhì)心垂向加速度圖可以明顯看到，展開狀態(tài)的減振效果要優(yōu)于折疊狀態(tài)，通過計(jì)算得到折疊狀態(tài)下車身質(zhì)心加速度均方根值為0.764 2m/s2，展開狀態(tài)下車身質(zhì)心加速度均方根值為0．659 4m/s2，較前者減小了13．71%，可見在展開狀態(tài)下具有更好的行駛平順性。

圖825km/h時(shí)速行駛平順性仿真試驗(yàn)

4．325km/h時(shí)速雙移線仿真

該工況模擬了車輛在25km/h的車速下，完成變線-保持-變線的過程。車身質(zhì)心側(cè)向加速度、側(cè)傾角、橫擺角速度曲線如圖9所示，由于質(zhì)心位置降低，在展開狀態(tài)時(shí)具有更小的車身側(cè)傾角，其余兩項(xiàng)參數(shù)在折疊和展開狀態(tài)下的變化不大。分析可知，變軸距功能對(duì)于在行駛途中單次變更線路所造成的側(cè)傾、橫擺影響都不大。

圖925km/h時(shí)速雙移線仿真試驗(yàn)

5 結(jié)論

本文中提出了軸距可變微型電動(dòng)車的整車構(gòu)型并進(jìn)行了樣車試制，旨在為解決城市交通擁擠與停車?yán)щy等難題提出合理可行的個(gè)性化交通出行解決方案。一體化線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向-懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅增加了微型電動(dòng)車轉(zhuǎn)向角范圍，提高了轉(zhuǎn)向靈活性，而且將轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)使整車布局更加緊湊。將梯形絲杠與連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用于軸距可變機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)與分析結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)軸距在780～1 250mm范圍內(nèi)均勻變化，達(dá)到預(yù)期效果。利用仿真軟件進(jìn)行制動(dòng)、行駛平順性和雙移線試驗(yàn)的仿真分析，結(jié)果表明，軸距可變微型電動(dòng)車在底盤展開狀態(tài)下具有較優(yōu)的動(dòng)力學(xué)性能。

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［11］陳辛波，武曉俊，梁棟．線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向-懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013(增刊):281．

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Vehicle Configuration and Performance Analysis of a Micro Electric Vehicle with Variable Wheelbase

Chen Xinbo1，2，Hang Peng1，Wu Xian1，3＆Ye Dawei1
1．School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 201804;2．Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201804;3．Tongji Automotive Design and Research Institute，Shanghai 201804

In order to improve the mobility of personalized electric vehicle for urban residents and effectively reduce its footprint area in parking lot，a novel concept micro electric vehicle with variable wheelbase is developed and produced．Firstly，the configuration of micro electric vehicle with variable wheelbase is studied based on the objectives of vehicle design．Then，for enhancing the mobility and system integration，an integrated independent steer-by-wire/suspension guiding mechanism and a variable wheelbase mechanism in chassis based on a combination of trapezoidal lead screw and linkage mechanism are proposed，with its expected effects verified by structure design and kinematic analysis．Finally，a simulation is performed using software CarSim to comparatively analyze its behaviors of braking，riding comfort and double lane change under both folded and unfolded chassis states respectively for evaluating the dynamics performance of vehicle．

micro electric vehicle;variable wheelbase;independent steer-by-wire mechanism;suspension guiding mechanism

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．005

*國家自然科學(xué)基金(51375344和U1564207)資助。

原稿收到日期為2016年6月6日，修改稿收到日期為2016年8月15日。

吳憲，副教授，博士，E-mail:wuxian_tji@126．com。