王志超　修霞　何麗楠　劉金超

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，老百姓的經(jīng)濟水平不斷提高，汽車等各類交通工具在家家戶戶已隨處可見。本文分別從汽車底盤的設(shè)計，多種操作模式的建立等方面入手，旨在設(shè)計一款以電機驅(qū)動的新型能源汽車底盤，可以實現(xiàn)原地?fù)Q向功能，包括斜方向前行、橫向移動、原地中心換向等工作模式。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 輪轂電機 線控轉(zhuǎn)向技術(shù) 原地?fù)Q向

現(xiàn)階段，全世界的經(jīng)濟與技術(shù)呈現(xiàn)大跨越式的前進(jìn)的趨勢，社會資源豐富，人均汽車保有量逐年增長，預(yù)計在2020年突破12億輛的大關(guān)，而這些汽車數(shù)量的貢獻(xiàn)大多數(shù)來自發(fā)展中國家。近幾年來，我國的國民經(jīng)濟發(fā)展十分快速，經(jīng)濟的發(fā)展的同時也帶動我國汽車行業(yè)的水平的提升，我國的汽車市場還是十分有潛力的。但我國石油資源短缺，同時還是能源消耗大國，只能依靠進(jìn)口，所以我國的石油進(jìn)口量逐年增高，目前我國汽車的發(fā)展正處于高速階段，現(xiàn)在已經(jīng)是全球第二汽車生產(chǎn)國和全球第二汽車消費國，僅次于日本，而我國城市的大氣污染卻已經(jīng)十分嚴(yán)重，從環(huán)境方面而言，溫室效應(yīng)的加劇與霧霾天氣的增多促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，新能源汽車在行駛的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)極低的排放甚至是零排放的成程度。

因此我國在新能源汽車的自主創(chuàng)新方面給予大力的支持和鼓勵以及政策的促進(jìn)。、新能源汽車以輪轂電機為基礎(chǔ)能夠使車輪不再受傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向的約束，每個車輪能夠?qū)崿F(xiàn)獨立線控驅(qū)動，車輪的轉(zhuǎn)向角也得到很大的提升，可以實現(xiàn)多種駕駛模式，包括斜向運動、原地?fù)Q向、橫向移動等，車輛在行駛或者泊車時所需的空間也得到降低，能夠使道路得到充分利用，緩解了交通的擁堵，泊車?yán)щy等問題，使汽車數(shù)量持續(xù)增長與道路有限之間的矛盾得到了有效的解決。所以說 新能源汽車在未來汽車行業(yè)是占據(jù)領(lǐng)頭地位的。

本文的主要研究內(nèi)容以輪轂電機驅(qū)動為基礎(chǔ)，對新能源汽車底盤的改進(jìn)設(shè)計，以滿足原地?fù)Q向的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)斜方向行駛，橫方向行駛，原地中心換向等特殊轉(zhuǎn)向模式。完成汽車底盤結(jié)構(gòu)的建模和力學(xué)分析，保證在安全穩(wěn)定的工作情況下，結(jié)構(gòu)有良好的強度和適應(yīng)性，滿足家用汽車的使用要求。

1 已有的汽車底盤全轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

1.1 傳統(tǒng)汽車底盤轉(zhuǎn)向機構(gòu)

機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)這是目前市場普遍存在的兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其中一些機械的零部件組成機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，動力則是駕駛員。而與機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不同的是動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)它的動力來自兩個方向，一個是駕駛員，一個是發(fā)動機，其原理就是在傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上加了一個助力轉(zhuǎn)向裝置?，F(xiàn)在已有的動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最常見的還是電動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其它兩種是電子液壓助力、機械液壓助力。

由此可以看出，傳統(tǒng)汽車在轉(zhuǎn)向的時候只能實現(xiàn)前輪相同角度的轉(zhuǎn)向，現(xiàn)在一些高檔汽車如寶馬系列會實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向，但其另外兩個車輪的轉(zhuǎn)向只起到輔助功能，保證汽車的穩(wěn)定性。所以傳統(tǒng)汽車在一些道路擁擠，操作空間有限，道路情況不明的情況下遇到的困難也會增加。

1.2 新型全轉(zhuǎn)向機構(gòu)

現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)研究出 一種通過線性控制來實現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向，主要通過轉(zhuǎn)向電機接受的角度信息轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)車輪，大大提高了車輛的靈活性和操作性。可以對對四個車輪進(jìn)行獨立控制，取締了傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。在本文提到的新型轉(zhuǎn)向機構(gòu)包括兩種工作模式，一是正常轉(zhuǎn)向模式，只使用前輪進(jìn)行常規(guī)轉(zhuǎn)向，二是特殊轉(zhuǎn)向模式。該新型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在車輛高速行駛時將會采用正常轉(zhuǎn)向模式，車輪通過轉(zhuǎn)向抽、路感傳感器、轉(zhuǎn)向電機傳遞的方向盤信息進(jìn)行轉(zhuǎn)向。在需要高段操作時，使用特殊轉(zhuǎn)向模式，車輪就通過中央控制器轉(zhuǎn)遞給轉(zhuǎn)向電機進(jìn)行轉(zhuǎn)向，可實現(xiàn)橫向移動、原地?fù)Q向，斜向前行等復(fù)雜前進(jìn)方式。

2 新能源汽車新型全轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

在科技的高速發(fā)展下，目前可以實現(xiàn)全轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)已經(jīng)研究出來。主要分為兩種方式：改造車輪結(jié)構(gòu)、常規(guī)車輪改變轉(zhuǎn)輪方式和線控轉(zhuǎn)向技術(shù)。具體情況如下：

2.1 改造車輪結(jié)構(gòu)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)全輪轉(zhuǎn)向的汽車功能，于是對車輪的輪胎以及軸承做了特書的改造，例如球形車輪、全向輪、麥克納姆輪等特殊結(jié)構(gòu)的輪胎，都是為了達(dá)到全輪轉(zhuǎn)向而做的設(shè)計。

2.2 常規(guī)車輪

與上邊的對車輪進(jìn)行改造相比較，對車輪轉(zhuǎn)向整體優(yōu)化改造 相對于是常見的。通過把常規(guī)車輪改為主動式腳輪來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，主要設(shè)計實在車輪轉(zhuǎn)向軸安裝轉(zhuǎn)向電機來轉(zhuǎn)動車輪。

主動式腳輪的出現(xiàn)，在全世界各國掀起全轉(zhuǎn)向平臺研究的熱潮，對其更深一步的研究和改善。采用主動式腳輪的車一般采用兩個電機對車輛進(jìn)行控制，一個電機主要負(fù)責(zé)車輛的動力前進(jìn)，另一個也稱為轉(zhuǎn)向電機，負(fù)責(zé)車輪轉(zhuǎn)向。同時車輛采用兩種操作模式，一種是車輛在高速行駛的時候采用傳統(tǒng)常規(guī)的駕駛模式，當(dāng)車輛在低速駕駛，遇到一些道路困難的時候采用電機轉(zhuǎn)向模式。

2.3 線控轉(zhuǎn)向

在前面已經(jīng)提到，線控轉(zhuǎn)向技術(shù)已經(jīng)是現(xiàn)階段電動汽車行業(yè)的重中之重。線控轉(zhuǎn)向省去了傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，可以更方便的實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、信號傳遞迅速、汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、安全系數(shù)高等優(yōu)點。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，差距是顯而易見的。

線控轉(zhuǎn)向主要由三部分組成，分別是方向盤系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)、ECU組成。ECU它通過三組電子控制單元對轉(zhuǎn)向的要求進(jìn)行檢驗計算，然后將此電信號傳送到執(zhí)行電機。一組電子控制單元負(fù)責(zé)路感模擬，另外兩組電子控制單元控制兩個車輪的轉(zhuǎn)向電機。駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤形成轉(zhuǎn)向信息，信息通過方向盤系統(tǒng)形成數(shù)字信號傳到ECU，并反饋回到方向盤系統(tǒng)力矩、轉(zhuǎn)角信號，最后傳遞方向盤上使駕駛員清楚感應(yīng)到車倆駕駛狀況。轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)相對簡單，ECU傳遞的轉(zhuǎn)向信號到達(dá)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向。

3 新型全轉(zhuǎn)向總體設(shè)計的方案確定

主要設(shè)計思路是新能源汽車采用輪轂電機為動力和線控轉(zhuǎn)向技術(shù)為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，省去了傳統(tǒng)汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向所需的連桿機械結(jié)構(gòu)，是懸掛結(jié)構(gòu)變得簡單化，所以本設(shè)計改變懸掛構(gòu)造，使車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向時不會得到妨礙，同時能通過線控轉(zhuǎn)向技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

借鑒其他標(biāo)車的雙叉臂式懸架轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)以及懸架的參數(shù)對新型轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計，設(shè)計一轉(zhuǎn)向支架搭載帶減速機構(gòu)的轉(zhuǎn)向電機，支架上端設(shè)計一個只可以一端上下擺動的上橫臂，支架下端設(shè)計可兩端上下運動的下橫臂，減震器上端安裝在汽車懸架，下端安裝在下橫臂靠近轉(zhuǎn)向支架的位置。經(jīng)公式計算出結(jié)果，與麥弗遜式懸架各個參數(shù)對比優(yōu)化，最后進(jìn)行確定。

傳統(tǒng)的懸架受到機械結(jié)構(gòu)限制，車輪無法進(jìn)行多角度轉(zhuǎn)向，而新能源汽車以輪轂電機為動力驅(qū)動，所以設(shè)計一個轉(zhuǎn)向支架，搭載轉(zhuǎn)向電機機來實現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向，已達(dá)到原地?fù)Q向的要求。這個支架是連接在輪轂上，可以說是與輪胎一體，支架的上下兩端分別連接上下橫臂，用軸承連接轉(zhuǎn)向點。

設(shè)計的上橫臂的一端是連接固定在輪胎上的轉(zhuǎn)向支架，另一端則連接車架，下橫臂的一段通過一個支撐托臂連接在固定在輪胎上的轉(zhuǎn)向支架下端的上方。在車輛行駛到凹凸路面時上下橫臂上下擺動與減震器相互配合，減輕車輛的晃動，同時上下橫臂的寬度計算要合理，避免車輛在進(jìn)行橫向移動時，車輪與上下橫臂發(fā)生碰撞，造成危險事故的發(fā)生。設(shè)計其上橫臂長237.5mm，下橫臂長231mm。下橫臂與轉(zhuǎn)向支架的連接是通過一個支撐托臂的相關(guān)聯(lián)，支撐托臂則搭載著轉(zhuǎn)向電機控制轉(zhuǎn)向支架帶動車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向。設(shè)計長度為118.5mm。設(shè)計的減震器一端連接在下橫臂靠近轉(zhuǎn)向點的位置，一端連接在車架，可以有效的進(jìn)行車輛減震。設(shè)計的車架要符合原地?fù)Q向的要求，其長寬要適宜，結(jié)構(gòu)設(shè)計要安全穩(wěn)定，并且能夠在輪胎轉(zhuǎn)向的時候不會出現(xiàn)安全問題。

4 建立動力模型對重要部件選擇

4.1 轉(zhuǎn)向電機的選型比較

轉(zhuǎn)向電機通過接收到中央控制器傳遞來的數(shù)字信號進(jìn)行轉(zhuǎn)動，帶動減速器轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)動。選用的轉(zhuǎn)向電機要對信號反應(yīng)靈敏，命令指令準(zhǔn)確到位，穩(wěn)定性強，不會再轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生多余動作。

目前，通常用伺服電機和步進(jìn)電機進(jìn)行位置控制，但通常應(yīng)用的伺服電機比 步進(jìn)電機要多。交流伺服電機的輸出力矩不會改變，是恒力輸出形式，而步進(jìn)電機的輸出力矩會改變 ，隨時間的邊長而變小。同時交流伺服電機的容錯率要比步進(jìn)電機高，具備過載能力，能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟停，對環(huán)境的適應(yīng)力強。選用伺服電機作為轉(zhuǎn)向電機才能使車輛轉(zhuǎn)向更具備安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

4.2 動力電池的選型比較

本設(shè)計的電動車所需的動力電池需要滿足以下要求：

（1）能夠滿足汽車行駛所需的動力；

（2）對溫度的變化起伏不敏感；

（3）高壓電流輸入輸出不影響電池的使用年限；

（4）容量持續(xù)穩(wěn)定，跑電率低，電池壽命長；

（5）對環(huán)境污染小，安全系數(shù)要高。

電動車常用的動力電池有鋰離子電池、鎳鎘電池、鎳氫電池，鉛酸電池，通常優(yōu)先選擇鋰離子電池。鉛酸電池是最早出現(xiàn)在大眾視野中的，二十世紀(jì)初就已出現(xiàn)。經(jīng)過一個世紀(jì)的改進(jìn)優(yōu)化，其技術(shù)在電動車動力電池中最為成熟的，同時以制造成本低，被人們熟知。但鉛酸電池沒能在電動車中得到廣泛應(yīng)用的主要原因是其制作原料鉛會造成環(huán)境污染。

鎳鎘電池的優(yōu)點是使用年限長，輸入輸出電穩(wěn)定，缺點就是如果你長時間不使用的話，電池的充放電各方面會衰退，在一個就是原料鎘會對環(huán)境造成污染。

鎳氫電池的優(yōu)點主要體現(xiàn)在能量比方面，同時也支持快速充放電，最為關(guān)鍵的不會對環(huán)境造成污染。缺點則是充電過滿的時候電池會自動跑電，所以在需要高容量功率時，鎳氫電池不是最佳的選擇。

鋰離子電池的發(fā)展與推廣在其推出的開始就得到積極的響應(yīng)。其優(yōu)點主要由以下幾點：能夠多次循環(huán)使用、壽命長、不使用狀態(tài)放電率低、電池的容量高、功率大、對環(huán)境污染低等。同時鋰離子電池根據(jù)正極材料的不同也分不同種類，一般分為磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池。錳酸鋰電池在高溫的環(huán)境中具有不穩(wěn)定性，循環(huán)使用壽命短等問題，不適合本設(shè)計。鈷酸鋰電池的生產(chǎn)成本投入過大，同樣在高溫環(huán)境的安全隱患問題也是讓人擔(dān)心的。而磷酸鐵鋰電池就不會有上面提到的缺點，電池容量大、溫度變化時穩(wěn)定、安全系數(shù)高。所以在近幾年，磷酸鐵鋰電池發(fā)展前景十分寬廣，電動車的動力電池一般多數(shù)選擇它，所以本設(shè)計選用鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池。

4.3 減震器的選型

減震器主要是是車輛在不平坦路面行駛時，能夠使駕駛員處于平穩(wěn)狀態(tài)，不受顛簸的困惱。同時在本設(shè)計中也起到一個支撐作用，所以說減震器的選擇也尤為重要，需要對減震器的最大卸載力進(jìn)行計算。對其中一個減震器進(jìn)行力學(xué)分析。如圖所示。

減震器力學(xué)分析

其中F1為車架自身重力，F(xiàn)2為汽車搭載重量，F(xiàn)3為減震器的作用力，∠a則為減震器與垂直水平面的夾角。根據(jù)設(shè)計其∠a為39°，減震器長度為230mm。同時已知相對無摩擦的懸架平均相對阻尼系數(shù)￡在0.25～0.35之間，所以￡=0.35。則減震器的阻尼系數(shù)為：

ζ=2￡ωms/cos2α（4-24）

（4-25）

其中n為懸架固有頻率取1.2，ms為簧上質(zhì)量，α為減震器的安裝角度去39°由此可以求得：

ζ=2×0.35×2π×1.2×260/cos239°=1758.4NS/m

求得最大卸載力還需求得活塞的卸載速度，即：

νx=Aωαcosα（4-26）

其中A為汽車振幅，取±35mm，a為減震器的長度。由此可以計算出νx=0.07m/s。同時最大卸載力計算公式如下，其中C取常數(shù)1.5，則：

Fm=Cζνx（4-27）

Fm=1.5×1758.4×0.07=184.6N

所以減震器要選擇其最大卸載力在200N以上的規(guī)格。

5 車架的運動仿真驗證

本文是新能源汽車的原地?fù)Q向設(shè)計，是對汽車底盤進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，使汽車能夠滿足原地?fù)Q向的功能。而汽車底盤的安全系數(shù)也是重中之重，針對汽車底盤的剛度要求進(jìn)行有限元的仿真，選擇正常兩輪駕駛模式進(jìn)行仿真，通過軟件ANSYS軟件對汽車底盤的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文通過solidworks建立三維汽車底盤模型，通過ANSYS workbench導(dǎo)入仿真分析。

將三維的模導(dǎo)入ANSYS的有限元分析模型，滿載的汽車在水平路面行駛時，車架會存在一個彎曲形態(tài)，稱之為滿載彎曲工況。本設(shè)計在彎曲工況選用2.5的動載系數(shù)，在仿真時與載荷相乘，同時約束懸掛與車架的接觸點。有限元分析結(jié)果顯示，車架的最大變形量也是為1.1873mm，最大的應(yīng)力值為24.814Mpa，都主要集中在連接處，說明其后期優(yōu)化還可以進(jìn)行改進(jìn)。同時本論文設(shè)計選用的鋼材料可以滿足該設(shè)計的安全程度，所以采用該設(shè)計。

通過ANSYS軟件對汽車底盤車架進(jìn)行有限元分析，得到在滿載工況下車架的應(yīng)力仿真圖與變形仿真圖，分析后進(jìn)行優(yōu)化。

本文以實現(xiàn)新能源汽車原地?fù)Q向功能為目標(biāo)，對汽車底盤進(jìn)行改造，使它滿足原地?fù)Q向的設(shè)計，提高車輛的操作性。完成了新型轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計以及整車的三維建模和圖紙繪畫，一些重要部件的選型，和介紹轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制方法等，為新能源汽車的高操作設(shè)計提供了一定的參考基礎(chǔ)。

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