家用新能源汽車原地換向設計

王志超　修霞　何麗楠　劉金超

摘 要：隨著我國經濟的快速發展，老百姓的經濟水平不斷提高，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計，多種操作模式的建立等方面入手，旨在設計一款以電機驅動的新型能源汽車底盤，可以實現原地換向功能，包括斜方向前行、橫向移動、原地中心換向等工作模式。

關鍵詞：新能源汽車 輪轂電機 線控轉向技術 原地換向

現階段，全世界的經濟與技術呈現大跨越式的前進的趨勢，社會資源豐富，人均汽車保有量逐年增長，預計在2020年突破12億輛的大關，而這些汽車數量的貢獻大多數來自發展中國家。近幾年來，我國的國民經濟發展十分快速，經濟的發展的同時也帶動我國汽車行業的水平的提升，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，只能依靠進口，所以我國的石油進口量逐年增高，目前我國汽車的發展正處于高速階段，現在已經是全球第二汽車生產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十分嚴重，從環境方面而言，溫室效應的加劇與霧霾天氣的增多促進新能源汽車的發展，新能源汽車在行駛的過程中能夠實現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新方面給予大力的支持和鼓勵以及政策的促進。、新能源汽車以輪轂電機為基礎能夠使車輪不再受傳統轉向的約束，每個車輪能夠實現獨立線控驅動，車輪的轉向角也得到很大的提升，可以實現多種駕駛模式，包括斜向運動、原地換向、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，泊車困難等問題，使汽車數量持續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是占據領頭地位的。

本文的主要研究內容以輪轂電機驅動為基礎，對新能源汽車底盤的改進設計，以滿足原地換向的要求，能夠實現斜方向行駛，橫方向行駛，原地中心換向等特殊轉向模式。完成汽車底盤結構的建模和力學分析，保證在安全穩定的工作情況下，結構有良好的強度和適應性，滿足家用汽車的使用要求。

1 已有的汽車底盤全轉向結構設計思路

1.1 傳統汽車底盤轉向機構

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

由此可以看出，傳統汽車在轉向的時候只能實現前輪相同角度的轉向，現在一些高檔汽車如寶馬系列會實現四輪轉向，但其另外兩個車輪的轉向只起到輔助功能，保證汽車的穩定性。所以傳統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 新型全轉向機構

現在科學技術研究出 一種通過線性控制來實現車輪的轉向，主要通過轉向電機接受的角度信息轉轉車輪，大大提高了車輛的靈活性和操作性?？梢詫λ膫€車輪進行獨立控制，取締了傳統的機械轉向結構。在本文提到的新型轉向機構包括兩種工作模式，一是正常轉向模式，只使用前輪進行常規轉向，二是特殊轉向模式。該新型轉向系統在車輛高速行駛時將會采用正常轉向模式，車輪通過轉向抽、路感傳感器、轉向電機傳遞的方向盤信息進行轉向。在需要高段操作時，使用特殊轉向模式，車輪就通過中央控制器轉遞給轉向電機進行轉向，可實現橫向移動、原地換向，斜向前行等復雜前進方式。

2 新能源汽車新型全轉向機構設計

在科技的高速發展下，目前可以實現全轉向的結構已經研究出來。主要分為兩種方式：改造車輪結構、常規車輪改變轉輪方式和線控轉向技術。具體情況如下：

2.1 改造車輪結構

為了能夠實現全輪轉向的汽車功能，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構的輪胎，都是為了達到全輪轉向而做的設計。

2.2 常規車輪

與上邊的對車輪進行改造相比較，對車輪轉向整體優化改造 相對于是常見的。通過把常規車輪改為主動式腳輪來實現轉向，主要設計實在車輪轉向軸安裝轉向電機來轉動車輪。

主動式腳輪的出現，在全世界各國掀起全轉向平臺研究的熱潮，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行控制，一個電機主要負責車輛的動力前進，另一個也稱為轉向電機，負責車輪轉向。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常規的駕駛模式，當車輛在低速駕駛，遇到一些道路困難的時候采用電機轉向模式。

2.3 線控轉向

在前面已經提到，線控轉向技術已經是現階段電動汽車行業的重中之重。線控轉向省去了傳統的機械結構，可以更方便的實現轉向、信號傳遞迅速、汽車結構設計簡單、安全系數高等優點。與傳統轉向系統相比，差距是顯而易見的。

線控轉向主要由三部分組成，分別是方向盤系統、轉向執行系統、ECU組成。ECU它通過三組電子控制單元對轉向的要求進行檢驗計算，然后將此電信號傳送到執行電機。一組電子控制單元負責路感模擬，另外兩組電子控制單元控制兩個車輪的轉向電機。駕駛員轉動方向盤形成轉向信息，信息通過方向盤系統形成數字信號傳到ECU，并反饋回到方向盤系統力矩、轉角信號，最后傳遞方向盤上使駕駛員清楚感應到車倆駕駛狀況。轉向執行系統相對簡單，ECU傳遞的轉向信號到達轉向執行機構，實現車輪轉向。

3 新型全轉向總體設計的方案確定

主要設計思路是新能源汽車采用輪轂電機為動力和線控轉向技術為轉向系統，省去了傳統汽車進行轉向所需的連桿機械結構，是懸掛結構變得簡單化，所以本設計改變懸掛構造，使車輪進行轉向時不會得到妨礙，同時能通過線控轉向技術進行轉向。

借鑒其他標車的雙叉臂式懸架轉向結構以及懸架的參數對新型轉向結構進行初步設計，設計一轉向支架搭載帶減速機構的轉向電機，支架上端設計一個只可以一端上下擺動的上橫臂，支架下端設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向支架的位置。經公式計算出結果，與麥弗遜式懸架各個參數對比優化，最后進行確定。

傳統的懸架受到機械結構限制，車輪無法進行多角度轉向，而新能源汽車以輪轂電機為動力驅動，所以設計一個轉向支架，搭載轉向電機機來實現線控轉向，已達到原地換向的要求。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，用軸承連接轉向點。

設計的上橫臂的一端是連接固定在輪胎上的轉向支架，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，避免車輛在進行橫向移動時，車輪與上下橫臂發生碰撞，造成危險事故的發生。設計其上橫臂長237.5mm，下橫臂長231mm。下橫臂與轉向支架的連接是通過一個支撐托臂的相關聯，支撐托臂則搭載著轉向電機控制轉向支架帶動車輪進行轉向。設計長度為118.5mm。設計的減震器一端連接在下橫臂靠近轉向點的位置，一端連接在車架，可以有效的進行車輛減震。設計的車架要符合原地換向的要求，其長寬要適宜，結構設計要安全穩定，并且能夠在輪胎轉向的時候不會出現安全問題。

4 建立動力模型對重要部件選擇

4.1 轉向電機的選型比較

轉向電機通過接收到中央控制器傳遞來的數字信號進行轉動，帶動減速器轉動，實現車輪轉動。選用的轉向電機要對信號反應靈敏，命令指令準確到位，穩定性強，不會再轉動過程中產生多余動作。

目前，通常用伺服電機和步進電機進行位置控制，但通常應用的伺服電機比 步進電機要多。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電機高，具備過載能力，能夠實現快速啟停，對環境的適應力強。選用伺服電機作為轉向電機才能使車輛轉向更具備安全性、可靠性和穩定性。

4.2 動力電池的選型比較

本設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）容量持續穩定，跑電率低，電池壽命長；

（5）對環境污染小，安全系數要高。

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，通常優先選擇鋰離子電池。鉛酸電池是最早出現在大眾視野中的，二十世紀初就已出現。經過一個世紀的改進優化，其技術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用的主要原因是其制作原料鉛會造成環境污染。

鎳鎘電池的優點是使用年限長，輸入輸出電穩定，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境造成污染。

鎳氫電池的優點主要體現在能量比方面，同時也支持快速充放電，最為關鍵的不會對環境造成污染。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。

鋰離子電池的發展與推廣在其推出的開始就得到積極的響應。其優點主要由以下幾點：能夠多次循環使用、壽命長、不使用狀態放電率低、電池的容量高、功率大、對環境污染低等。同時鋰離子電池根據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境中具有不穩定性，循環使用壽命短等問題，不適合本設計。鈷酸鋰電池的生產成本投入過大，同樣在高溫環境的安全隱患問題也是讓人擔心的。而磷酸鐵鋰電池就不會有上面提到的缺點，電池容量大、溫度變化時穩定、安全系數高。所以在近幾年，磷酸鐵鋰電池發展前景十分寬廣，電動車的動力電池一般多數選擇它，所以本設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狀態，不受顛簸的困惱。同時在本設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行計算。對其中一個減震器進行力學分析。如圖所示。

減震器力學分析

其中F1為車架自身重力，F2為汽車搭載重量，F3為減震器的作用力，∠a則為減震器與垂直水平面的夾角。根據設計其∠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￡在0.25～0.35之間，所以￡=0.35。則減震器的阻尼系數為：

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以上的規格。

5 車架的運動仿真驗證

本文是新能源汽車的原地換向設計，是對汽車底盤進行設計改進，使汽車能夠滿足原地換向的功能。而汽車底盤的安全系數也是重中之重，針對汽車底盤的剛度要求進行有限元的仿真，選擇正常兩輪駕駛模式進行仿真，通過軟件ANSYS軟件對汽車底盤的數據進行分析。本文通過solidworks建立三維汽車底盤模型，通過ANSYS workbench導入仿真分析。

將三維的模導入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，稱之為滿載彎曲工況。本設計在彎曲工況選用2.5的動載系數，在仿真時與載荷相乘，同時約束懸掛與車架的接觸點。有限元分析結果顯示，車架的最大變形量也是為1.1873mm，最大的應力值為24.814Mpa，都主要集中在連接處，說明其后期優化還可以進行改進。同時本論文設計選用的鋼材料可以滿足該設計的安全程度，所以采用該設計。

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

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

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