饶道龚，杨三龙，李广平，杨利利，李乾，王维镝

（浙江大学台州研究院，浙江 台州 318000）

0 引言

由于我国道路交通环境的特殊性，在道路交通参与者中，存在着数量庞大的电动两轮车、小型电动三轮车。电动车在方便人们出行的同时，速度快、质量大、种类繁多的两轮、三轮电动小型车辆的驾驶的舒适性和安全性也引起了社会的重视[1]。市场上电动车后悬挂设备种类少，尤其是小型三轮电动车后悬挂结构单一，减振效果差。现有的电动车后桥双摆臂机构存在着结构不稳定、使用寿命短、安全性不高的缺陷，市场对电动车后悬挂新型机构的需求迫在眉睫。

考虑到三轮电动车的舒适性和安全性，浙江大学台州研究院研发了一套三轮电动车后悬挂结构，使用该后悬挂的三轮电动车具有承载力适中、道路适应力强、转向平稳并能够保证3个车轮始终接触地面、行驶更加平稳等优点。

同时该小型三轮电动车后悬挂新型结构还能带动三轮电动车行业的同步发展及产品升级。

1 电动车后悬挂整体结构及工作原理

该三轮电动车后桥双摆臂悬挂机构的2个摆动臂可在旋转机构的作用下相对于后桥桥架上下偏摆，保证2个后车轮的轴完全平行，保证三轮电动车的3个车轮始终接触地面，增加了轮胎的接地总面积，提供平稳、舒适、安全的驾乘体验，行驶更为安全。

1.1 整体机构组成

研发了一种三轮电动车后悬挂结构，属于机械运动技术领域。该三轮电动车后悬挂摆动结构主要包括旋转机构、摆动机构和缓冲器机构。通过旋转机构和摆动机构之间的配合与相互作用来达到其运动要求。该结构具有稳固、安全省力等优点。

通过SolidWorks建立后悬挂结构三维模型，如图1所示。

图1 后悬挂结构三维模型

后悬挂结构详细结构及部件组成如图2所示。

图2 后悬挂结构组成

1.2 后悬挂机构工作原理

该后悬挂机构包括后桥桥架、对称设置在后桥桥架两侧的2个摆动臂，2个摆动臂上分别安装有后车轮；后桥桥架上设有台阶轴，各摆动臂可旋转地套设于台阶轴上；后桥桥架与2个摆动臂之间安装有旋转机构，当三轮电动车转弯时，旋转机构使2个摆动臂相对于后桥桥架偏摆，其中一个摆动臂相对于后桥桥架绕台阶轴向上运动，另一个摆动臂相对于后桥桥架绕台阶轴向下运动。本结构2个摆动臂可在旋转机构的作用下相对于后桥桥架上下偏摆，从而保证2个后车轮的轴完全平行，保证三轮电动车的3个车轮始终接触地面，增加了轮胎的接地总面积，提供平稳、舒适、安全的驾乘体验。

2 后悬挂结构载荷计算

当三轮电动车后轮一侧行驶在颠簸路面或凹坑处时，2个摆臂会上下摆动，2个后车轮极限相差高度为125 mm。此时易出现单侧受力的极限情况，本文以此工况为研究对象，如图3所示，计算出后悬挂结构摆动臂所受载荷。

图3 极限行驶工况

静力学的求解必须先在三维空间里面建立坐标系[2]，以左侧轮胎中心为原点，建立坐标系为{0}，极限工况假设左侧后轮胎单独受力，负载通过缓冲器对后悬挂结构加载，受力分析如图4所示。

图4 左侧后轮胎单独受力分析

以后悬挂结构为研究对象，进行载荷计算。

根据车体负载及摆动力臂，计算出后悬挂结构所受的弯矩：

式中：F为人和车体质量，取300 kg；L为减振器中心到连接铰点的距离，为80 mm。

由于减振器的水平安装夹角为θ，对后悬挂产生2个方向的弯矩：

式中：θ为减振器的水平安装夹角，75°。

单侧轮胎受力工况下，后悬挂结构载荷计算结果如表1所示。

表1 后悬挂结构载荷计算结果

3 静力学分析及优化

有限元法是将整体结构划分成有限个规则的网格，通过对每个网格的求解从而近似得到整体结构的解。在有限元法中利用静力学对机器人关键零部件进行结构分析，即关键零部件在方向和大小不变的载荷作用下承受的应力和应变，从而达到对零部件结构优化和改进的目的[3-4]。

该后悬挂结构采用普通碳钢Q235，材料性能如表2所示。

表2 后悬挂结构材料性能参数[5]

对后悬挂结构模型进行静力学分析。将在SolidWorks中建立的悬挂模型导入ANSYS Workbench 软件中。Workbench利用ANSYS计算内核，具有装配体自动分析、自动网格划分等参数优化工具，为设计者提供了极大的便利[8]。

3.1 摆动臂静力学分析

将后悬挂轮胎和缓冲器及连接螺栓垫片简化掉，将简化后悬挂结构几何模型导入ANSYS Workbench 软件中，对其进行网格划分，如图5所示。

3.2 仿真结果分析

按照第2节计算的载荷，对整个后悬挂结构施加2个方向的弯矩。对有限元模型进行加载、求解，查看其位移及应力结果云图，如图5所示。后悬挂结构静力学仿结果如表3所示。

图5 第4关节分析结果

图5 后悬挂结构网格划分

表3 后悬挂结构静力学仿真结果

Q235材料许用应力为

式中：σs为材料屈服强度，Q235材料屈服强度为235 MPa；n为安全系数（n=1.5～2.5），n取2。

Q235材料许用应力为117 MPa，后悬挂结构最大应力在摆臂轴孔处，应力值为90.76 MPa，未超过许用应力，满足强度和刚度要求。

4 结论

通过本文研究，考虑到三轮电动车行驶的安全性和舒适性，开发设计了一套三轮电动车后悬挂新型结构，具体总结如下：

1）详细介绍了小型三轮电动车后悬挂机构及工作原理。后悬挂结构2个摆动臂可在旋转机构的作用下相对于后桥桥架上下偏摆，从而保证2个后车轮的轴完全平行，保证电动三轮车的3个车轮始终接触地面。

2）电动车行驶在颠簸的路况上，单侧轮胎受力的情况下，对后悬挂结构进行弯矩载荷分析和计算。

3）对后悬挂新型结构进行静力学分析，验证其设计的结构强度和刚度均满足正常使用要求，验证了本设计结构的可行性。

同时，本文也为三轮电动车后悬挂结构设计和仿真分析提供了参考依据。