校內純電力驅動觀光車設計

王力斌

（遼寧工程職業學院，遼寧 鐵嶺 112008）

1 電動觀光車的總體布置設計

1.1 驅動電機位置設計

驅動電機的位置可直接影響到電動觀光車的底盤離地間隙、震動噪音、軸荷分配等關鍵問題，因此驅動電機的位置選擇非常重要。質心越低的車輛越能獲得更好的行駛穩定性，避免側翻。因此，應在保證觀光車通過性及各機構工作條件的同時，盡量降低車輛質心。校園內路況較為平坦，離地間隙不要求過大，根據本校實際路況，結合學生住宿區的實際情況，將空載時電機離地間隙設計為180mm。

為了降低觀光車的震動和噪音，保證車體平衡，避免轉向側傾，提高乘坐舒適性，我們將電機軸線與車輛中線相重合。為了降低電機功率，提高行駛里程，本設計將驅動電機與傳動系統相連，驅動電機動力通過手動變速器、驅動橋、半軸傳遞到車輪。因此，驅動電機的前后位置應考慮到傳動系統中各機構相對位置，可隨變速器及驅動橋的相對位置進行調整。

1.2 傳動系統位置設計

本設計的傳動系統采用機械式，主要由離合器、變速器、驅動橋等機構組成，變速器與驅動橋為一體式設計。為提高行駛平順性及避免因應力損壞半軸，將半軸中線與車輪中線相重合。半軸位置確定后，驅動橋及變速器的位置可根據與半軸連接的法蘭盤位置進行確定，從而確定離合器安裝位置，離合器蓋需要針對驅動電機驅動軸進行改造，并利用螺栓與其相連。

1.3 轉向系統位置設計

為了降低驅動電機的負擔，轉向助力系統選擇使用電子轉向助力方式。本設計轉向系統主要由方向盤、轉向柱、轉向器、轉向搖臂、轉向電機、方向盤上下調節器等組成。首先通過整車寬度及A 柱位置確定方向盤位置，利用萬向節及傳動軸等元件將轉向器與方向盤相連接。本設計選用技術較成熟、結構簡單的齒輪齒條式轉向器，保證駕駛員的駕駛體驗及車輛駕駛穩定性。

1.4 懸架位置設計

為保證整車的駕駛、乘坐舒適性，本設計采用4輪獨立懸掛的懸架形式。獨立懸架除可有效緩沖車輪跳動所產生的沖擊力外，還具有占用空間小的特點，可有效降低車輛質心，降低車輛轉向側傾感受，提高起伏路面上的車輪附著力。

側傾中心高度計算：

式中：

設計中，側傾軸線位置應與地面平行，與地面的間距應盡可能大，從而保證在行駛時，前、后軸的軸荷大致相同，使其擁有中性轉向特性，并保證車身側傾限制在6°～7°范圍內，符合國家標準。

側傾軸線位置的確定要考慮到車輛輪距的變化，根據國家標準要求，懸架的設計必須保證在載荷變化時，輪距變化不得超過增減0.4mm。根據國家標準懸架的側傾中心高度不可超過150mm。因本課題選用驅動電機前置前驅方式，由于驅動橋軸荷相對較大，故應盡可能使前輪軸荷變化減小。因此，側傾中心高度應為：前懸架0～120mm，后懸架80～150mm。側傾中心高度確定后，便可確定縱傾軸線位置及縱傾中心。

根據以上三個重要參數，可確定懸架系統及轉向系統相關4 輪定位參數。

1.制動系統位置設計。本設計制動系統采用HH式液壓制動系統，保證在車輛進行制動時，每個車輪都可以得到單獨制動控制，為添加ABS 系統打下基礎。在對制動踏板進行設計時，應保證駕駛員可以輕松、舒適、不易誤踩，保證制動的靈敏性及穩定性。

2.電池組位置設計。電池組的安裝位置應考慮到動力系統接線長度，安裝更換方便等因素，本設計將其安裝在靠近驅動電機的前箱內。

3.座椅的位置設計。座椅的設計主要通過人機工程學原理進行，除了舒適度因素外，還應考慮安全因素及緊急情況逃跑的便利性。

2 車架及車身設計

車架及車身設計主要對車輛承載部分、蒙皮、車架等進行設計，其中包括制動踏板、油門踏板、離合器踏板、相關連接線、桁架、車身材料、車身附件、底板、各種安裝基座、連接緊固件等元件為主要設計元件。

車架主要由利用鋼管組合架組成的翻滾架及其他連接元件所組成。翻滾架鋼管組的材質為冷拔無縫碳素鋼，由若干根鋼管按照外形設計進行焊接，其所能承受的沖擊力約為2 倍車身重量。

本設計為7 座旅游觀光車，需要有較寬敞的乘坐空間，擬定車身長度為4400mm，考慮到加工因素及其他零部件的安裝，在此范圍內加上200mm，車架的長度約為4600mm。為保證車內乘客可有舒適的乘坐體驗，車體寬度應為1700mm。由于人體自然駕駛姿勢坐高約為850mm，而且主環最高點與前環最高點連線至少高于頭頂150mm，考慮到乘客的乘坐感受，車體高度應為1600mm。

本設計選用蒙皮材質為汽車專用0.9mm 厚涂鍍層鋼板，該鋼板具有成型性好、耐腐蝕性好、版型平整、抗沖擊強等特點。考慮到其主要在校內使用，校內道路平整，出現側翻幾率極低，因此，該板材完全滿足實際使用條件。

3 動力系統及傳動系統設計

動力總成及傳動系統主要包括電機、電池、驅動軸、差速器基座、鏈輪/皮帶輪、差速器軸承、差速器、萬向節、保護罩、連接緊固件等。根據運動學原理，在保證車速的同時要確保車輛能正常起步，因此，本課題傳動部分利用手動變速器來提高傳動比，保證車輛能夠平穩起步，并可滿足在雨雪天氣、學生流量大等不同環境下均能安全且平穩運行。在雨雪天氣條件下，由于路面附著力較小，可選擇利用2 檔起步來降低傳動比，保證平穩起步，防止打滑。在學生流量大時，可選擇低檔位平穩運行，保證行駛安全。

本課題整車質量約為500kg，根據現有條件，電機參數為620rpm，3kW，24V，輪轂直徑為16 英寸，車輪半徑為305mm，可計算出電機的驅動力及最高車速。

電機輸出扭矩為：

通過計算，輸出扭矩約為46.2Nm。

驅動力為：

最大靜摩擦力為：

式中u 為系數m 為整車質量

其最大靜摩擦力為50N。因車輛驅動力必須大于靜摩擦力才能保證正向行駛，因此傳動比i＞1.7，雙軸式5 速手動變速器傳動比區間可完全滿足設計要求。

則最大車速為：

式中n 為電機轉速，r 為車輪半徑。

通過計算本課題車速可達到60km/h，滿足校內行駛需求。

4 懸架系統設計

懸架總成是汽車的一個重要組成部分，它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側向反力以及將這些反力所造成的力矩傳遞到車架上，以保證汽車的正常行駛。本設計的前后懸架均采用獨立懸架。

本設計車輛前輪距為1650mm，上桿架寬為700mm，下桿架寬為650mm，本課題組根據國家相關標準，設定主銷關節軸承安裝孔距離軸中心為80mm，以及懸架與車架的焊接塊長35mm。根據輪距、上桿架寬度、下桿架寬度、焊接塊長度及主銷關節軸承安裝孔位置，可計算出懸架的垂直距離為449mm。根據行業標準，本課題選用的桿件的外徑為16mm，內徑為12mm，管壁厚為2mm，桿件可用M10 薄螺母、M10 關節軸承進行鏈接。水平方向上M10 關節軸承所占距離為20mm，M10 薄螺母所占距離為4.85mm，套筒所占距離為17mm，設定安裝伸出的螺紋均為3.15mm，所以桿長為：

通過計算得出桿長為359mm。

取安裝懸架上橫臂的兩個焊接塊垂直距離為178mm，且兩叉臂的張角定為50 度，因此斜叉臂在垂直車架叉臂上的焊接大致位置為：

通過計算，其結果為約255mm。

后懸掛計算方法與前懸掛一致，因篇幅原因，在此不再贅述。

5 制動系統設計

本課題采用液壓盤式制動器，制動驅動機構將來自駕駛員或其他力源的力傳給制動器，使之產生制動力矩。液壓制動的優點是：作用滯后時間短（0.1～0.3s），工作壓力高（可達10～12MPa），輪缸尺寸小，結構簡單、緊湊、質量小、造價低、機械效率高。

在車輛進行制動時，制動襯塊與制動盤完全接觸，且各單位壓力分配較為均勻，其制動力矩為：

式中f 為摩擦因數，F0為單側制動塊對制動盤的壓緊力，R 為作用半徑。

對于常見扇形制動塊，其平均半徑為：

式中R1為制動塊內半徑，R2為制動塊外半徑。

根據國家標準中制動盤的要求，該盤平面度公差為0.012mm，表面粗糙度為0.7～1.3μm，兩摩擦表面的平行度公差不應大于0.05mm，制動盤的斷面圓跳公差不應大于0.05mm，制動盤的斷面圓跳動公差不應大于0.03mm。通常制動盤采用摩擦性能好的珠光體灰鑄鐵制造，為保證足夠的強度和耐磨性能，其牌號不應低于HT250。

基于以上分析，結合本設計現有條件，對于制動盤及制動執行機構，選用捷達汽車制動盤及制動鉗總成。捷達制動總成，使用性能穩定，故障率低，易于保養維護，滿足本課題使用要求。

6 轉向系統設計

轉向系統設計的好壞直接決定了車輛行駛平穩性、指向性、安全性、舒適性等關鍵指標。本設計的轉向梯形前置，轉向拉桿橫置，轉向機選用穩定性更好的齒輪齒條式轉向器。由于在轉向節臂、轉向橫拉桿以及齒條機構的連接必然存在微小的間隙，如果將轉向梯形后置將會導致車輛入彎時由于整個轉向系統將受到來自轉向輪的橫向力作用，此作用力會壓縮連接部件之間的間隙，導致稍微增加轉向角度，造成微小的轉向過度感，不利于在彎中的操控性。

本課題選用的轉向梯形為整體式轉向梯形。汽車轉向行駛時，受彈性輪胎側偏角的影響，所有車輪不是繞后軸轉動，而是繞前軸與后軸間的汽車內某點滾動。此點位置與前輪和后輪的側偏角大小有關。若要保證全部車輪繞一個瞬時轉向中心行駛，則梯形機構應保證內、外轉向車輪的轉角關系為：

式中L 為車輛軸距，本課題軸距選取為2750mm，K 為兩主銷延長線到地面交點間距離。θi與θ0代表內、外轉向車輪的轉角。

其中θi為：

式中Dmin 為車輛最小轉彎半徑，a 為主銷偏移距。

最小轉彎半徑可根據對本校實際路況進行測量設計得出，主銷偏移量可根據懸架的設計通過Ansys Workbench 的仿真校核機調整得出。

7 電池的選用

本課題設計車輛主要針對校內，因此必須要有足夠大的電池容量。電池容量大固然可以有效增加車輛行駛里程，但其所占空間及重量也會隨之增加，考慮到車輛底盤的空間狀態和承重能力，及設計工作需求，本設計選用鋰動力電池作為該電動車的動力源。根據使用要求及現有條件，電動車車速為60km/h，電機功率為3kW。電動車行駛時間為：

電池容量為：

式中P 為電機功率，U 為電機電壓。

8 電氣設備設計

本設計電氣系統分為強敵部分及弱點部分。其中強電部分主要為動力系統進行供電；弱電部分主要為喇叭、燈光、音響、玻璃升降、倒車提醒等電氣設備進行供電。另外，本設計在動力系統中加設動力回收裝置，在車輛滑行或制動過程中，通過動力反傳原理，驅動動力回收電機進行發電，為蓄電池充電，以此來提高續航里程。

9 有限元分析

本設計通過有限元方法分析校內電動觀光車整車設計結構強度和模態，可大大提高設計效率，簡化從設計到生產的時間周期。通過運用有限元軟件對整車強度、剛度和模態的分析，可得到有限元分析結果，并對其進行分析和修改，使本設計設計參數滿足國家標準，達到使用要求。

10 結論

本設計主要對校園電動觀光車的整體布置進行設計，并對各系統的主要元件進行了設計及選擇，并通過有限元分析對整體設計進行驗證及校核，優化設計參數，使本設計能夠符合國家各項標準，保證能夠完成設計目標。