王志超　修霞　何丽楠　刘金超

摘 要：随着我国经济的快速发展，老百姓的经济水平不断提高，汽车等各类交通工具在家家户户已随处可见。本文分别从汽车底盘的设计，多种操作模式的建立等方面入手，旨在设计一款以电机驱动的新型能源汽车底盘，可以实现原地换向功能，包括斜方向前行、横向移动、原地中心换向等工作模式。

关键词：新能源汽车 轮毂电机 线控转向技术 原地换向

现阶段，全世界的经济与技术呈现大跨越式的前进的趋势，社会资源丰富，人均汽车保有量逐年增長，预计在2020年突破12亿辆的大关，而这些汽车数量的贡献大多数来自发展中国家。近几年来，我国的国民经济发展十分快速，经济的发展的同时也带动我国汽车行业的水平的提升，我国的汽车市场还是十分有潜力的。但我国石油资源短缺，同时还是能源消耗大国，只能依靠进口，所以我国的石油进口量逐年增高，目前我国汽车的发展正处于高速阶段，现在已经是全球第二汽车生产国和全球第二汽车消费国，仅次于日本，而我国城市的大气污染却已经十分严重，从环境方面而言，温室效应的加剧与雾霾天气的增多促进新能源汽车的发展，新能源汽车在行驶的过程中能够实现极低的排放甚至是零排放的成程度。

因此我国在新能源汽车的自主创新方面给予大力的支持和鼓励以及政策的促进。、新能源汽车以轮毂电机为基础能够使车轮不再受传统转向的约束，每个车轮能够实现独立线控驱动，车轮的转向角也得到很大的提升，可以实现多种驾驶模式，包括斜向运动、原地换向、横向移动等，车辆在行驶或者泊车时所需的空间也得到降低，能够使道路得到充分利用，缓解了交通的拥堵，泊车困难等问题，使汽车数量持续增长与道路有限之间的矛盾得到了有效的解决。所以说 新能源汽车在未来汽车行业是占据领头地位的。

本文的主要研究内容以轮毂电机驱动为基础，对新能源汽车底盘的改进设计，以满足原地换向的要求，能够实现斜方向行驶，横方向行驶，原地中心换向等特殊转向模式。完成汽车底盘结构的建模和力学分析，保证在安全稳定的工作情况下，结构有良好的强度和适应性，满足家用汽车的使用要求。

1 已有的汽车底盘全转向结构设计思路

1.1 传统汽车底盘转向机构

机械转向系统和动力转向系统这是目前市场普遍存在的两种转向系统，其中一些机械的零部件组成机械转向系统，动力则是驾驶员。而与机械转向系统不同的是动力转向系统它的动力来自两个方向，一个是驾驶员，一个是发动机，其原理就是在传统的机械转向系统上加了一个助力转向装置。现在已有的动力转向系统最常见的还是电动力转向系统，其它两种是电子液压助力、机械液压助力。

由此可以看出，传统汽车在转向的时候只能实现前轮相同角度的转向，现在一些高档汽车如宝马系列会实现四轮转向，但其另外两个车轮的转向只起到辅助功能，保证汽车的稳定性。所以传统汽车在一些道路拥挤，操作空间有限，道路情况不明的情况下遇到的困难也会增加。

1.2 新型全转向机构

现在科学技术研究出 一种通过线性控制来实现车轮的转向，主要通过转向电机接受的角度信息转转车轮，大大提高了车辆的灵活性和操作性。可以对对四个车轮进行独立控制，取缔了传统的机械转向结构。在本文提到的新型转向机构包括两种工作模式，一是正常转向模式，只使用前轮进行常规转向，二是特殊转向模式。该新型转向系统在车辆高速行驶时将会采用正常转向模式，车轮通过转向抽、路感传感器、转向电机传递的方向盘信息进行转向。在需要高段操作时，使用特殊转向模式，车轮就通过中央控制器转递给转向电机进行转向，可实现横向移动、原地换向，斜向前行等复杂前进方式。

2 新能源汽车新型全转向机构设计

在科技的高速发展下，目前可以实现全转向的结构已经研究出来。主要分为两种方式：改造车轮结构、常规车轮改变转轮方式和线控转向技术。具体情况如下：

2.1 改造车轮结构

为了能够实现全轮转向的汽车功能，于是对车轮的轮胎以及轴承做了特书的改造，例如球形车轮、全向轮、麦克纳姆轮等特殊结构的轮胎，都是为了达到全轮转向而做的设计。

2.2 常规车轮

与上边的对车轮进行改造相比较，对车轮转向整体优化改造 相对于是常见的。通过把常规车轮改为主动式脚轮来实现转向，主要设计实在车轮转向轴安装转向电机来转动车轮。

主动式脚轮的出现，在全世界各国掀起全转向平台研究的热潮，对其更深一步的研究和改善。采用主动式脚轮的车一般采用两个电机对车辆进行控制，一个电机主要负责车辆的动力前进，另一个也称为转向电机，负责车轮转向。同时车辆采用两种操作模式，一种是车辆在高速行驶的时候采用传统常规的驾驶模式，当车辆在低速驾驶，遇到一些道路困难的时候采用电机转向模式。

2.3 线控转向

在前面已经提到，线控转向技术已经是现阶段电动汽车行业的重中之重。线控转向省去了传统的机械结构，可以更方便的实现转向、信号传递迅速、汽车结构设计简单、安全系数高等优点。与传统转向系统相比，差距是显而易见的。

线控转向主要由三部分组成，分别是方向盘系统、转向执行系统、ECU组成。ECU它通过三组电子控制单元对转向的要求进行检验计算，然后将此电信号传送到执行电机。一组电子控制单元负责路感模拟，另外两组电子控制单元控制两个车轮的转向电机。驾驶员转动方向盘形成转向信息，信息通过方向盘系统形成数字信号传到ECU，并反馈回到方向盘系统力矩、转角信号，最后传递方向盘上使驾驶员清楚感应到车俩驾驶状况。转向执行系统相对简单，ECU传递的转向信号到达转向执行机构，实现车轮转向。

3 新型全转向总体设计的方案确定

主要设计思路是新能源汽车采用轮毂电机为动力和线控转向技术为转向系统，省去了传统汽车进行转向所需的连杆机械结构，是悬挂结构变得简单化，所以本设计改变悬挂构造，使车轮进行转向时不会得到妨碍，同时能通过线控转向技术进行转向。

借鉴其他标车的双叉臂式悬架转向结构以及悬架的参数对新型转向结构进行初步设计，设计一转向支架搭载带减速机构的转向电机，支架上端设计一个只可以一端上下摆动的上横臂，支架下端设计可两端上下运动的下横臂，减震器上端安装在汽车悬架，下端安装在下横臂靠近转向支架的位置。经公式计算出结果，与麦弗逊式悬架各个参数对比优化，最后进行确定。

传统的悬架受到机械结构限制，车轮无法进行多角度转向，而新能源汽车以轮毂电机为动力驱动，所以设计一个转向支架，搭载转向电机机来实现线控转向，已达到原地换向的要求。这个支架是连接在轮毂上，可以说是与轮胎一体，支架的上下两端分别连接上下横臂，用轴承连接转向点。

设计的上横臂的一端是连接固定在轮胎上的转向支架，另一端则连接车架，下横臂的一段通过一个支撑托臂连接在固定在轮胎上的转向支架下端的上方。在车辆行驶到凹凸路面时上下横臂上下摆动与减震器相互配合，减轻车辆的晃动，同时上下横臂的宽度计算要合理，避免车辆在进行横向移动时，车轮与上下横臂发生碰撞，造成危险事故的发生。设计其上横臂长237.5mm，下横臂长231mm。下横臂与转向支架的连接是通过一个支撑托臂的相关联，支撑托臂则搭载着转向电机控制转向支架带动车轮进行转向。设计长度为118.5mm。设计的减震器一端连接在下横臂靠近转向点的位置，一端连接在车架，可以有效的进行车辆减震。设计的车架要符合原地换向的要求，其长宽要适宜，结构设计要安全稳定，并且能够在轮胎转向的时候不会出现安全问题。

4 建立动力模型对重要部件选择

4.1 转向电机的选型比较

转向电机通过接收到中央控制器传递来的数字信号进行转动，带动减速器转动，实现车轮转动。选用的转向电机要对信号反应灵敏，命令指令准确到位，稳定性强，不会再转动过程中产生多余动作。

目前，通常用伺服电机和步进电机进行位置控制，但通常应用的伺服电机比 步进电机要多。交流伺服电机的输出力矩不会改变，是恒力输出形式，而步进电机的输出力矩会改变 ，随时间的边长而变小。同时交流伺服电机的容错率要比步进电机高，具备过载能力，能够实现快速启停，对环境的适应力强。选用伺服电机作为转向电机才能使车辆转向更具备安全性、可靠性和稳定性。

4.2 动力电池的选型比较

本设计的电动车所需的动力电池需要满足以下要求：

（1）能够满足汽车行驶所需的动力；

（2）对温度的变化起伏不敏感；

（3）高压电流输入输出不影响电池的使用年限；

（4）容量持续稳定，跑电率低，电池寿命长；

（5）对环境污染小，安全系数要高。

电动车常用的动力电池有锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池，铅酸电池，通常优先选择锂离子电池。铅酸电池是最早出现在大众视野中的，二十世纪初就已出现。经过一个世纪的改进优化，其技术在电动车动力电池中最为成熟的，同时以制造成本低，被人们熟知。但铅酸电池没能在电动车中得到广泛应用的主要原因是其制作原料铅会造成环境污染。

镍镉电池的优点是使用年限长，输入输出电稳定，缺点就是如果你长时间不使用的话，电池的充放电各方面会衰退，在一个就是原料镉会对环境造成污染。

镍氢电池的优点主要体现在能量比方面，同时也支持快速充放电，最为关键的不会对环境造成污染。缺点则是充电过满的时候电池会自动跑电，所以在需要高容量功率时，鎳氢电池不是最佳的选择。

锂离子电池的发展与推广在其推出的开始就得到积极的响应。其优点主要由以下几点：能够多次循环使用、寿命长、不使用状态放电率低、电池的容量高、功率大、对环境污染低等。同时锂离子电池根据正极材料的不同也分不同种类，一般分为磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、锰酸锂电池。锰酸锂电池在高温的环境中具有不稳定性，循环使用寿命短等问题，不适合本设计。钴酸锂电池的生产成本投入过大，同样在高温环境的安全隐患问题也是让人担心的。而磷酸铁锂电池就不会有上面提到的缺点，电池容量大、温度变化时稳定、安全系数高。所以在近几年，磷酸铁锂电池发展前景十分宽广，电动车的动力电池一般多数选择它，所以本设计选用锂离子电池中的磷酸铁锂电池。

4.3 减震器的选型

减震器主要是是车辆在不平坦路面行驶时，能够使驾驶员处于平稳状态，不受颠簸的困恼。同时在本设计中也起到一个支撑作用，所以说减震器的选择也尤为重要，需要对减震器的最大卸载力进行计算。对其中一个减震器进行力学分析。如图所示。

减震器力学分析

其中F1为车架自身重力，F2为汽车搭载重量，F3为减震器的作用力，∠a则为减震器与垂直水平面的夹角。根据设计其∠a为39°，减震器长度为230mm。同时已知相对无摩擦的悬架平均相对阻尼系数￡在0.25～0.35之间，所以￡=0.35。则减震器的阻尼系数为：

ζ=2￡ωms/cos2α（4-24）

（4-25）

其中n为悬架固有频率取1.2，ms为簧上质量，α为减震器的安装角度去39°由此可以求得：

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

求得最大卸载力还需求得活塞的卸载速度，即：

νx=Aωαcosα（4-26）

其中A为汽车振幅，取±35mm，a为减震器的长度。由此可以计算出νx=0.07m/s。同时最大卸载力计算公式如下，其中C取常数1.5，则：

Fm=Cζνx（4-27）

Fm=1.5×1758.4×0.07=184.6N

所以减震器要选择其最大卸载力在200N以上的规格。

5 车架的运动仿真验证

本文是新能源汽车的原地换向设计，是对汽车底盘进行设计改进，使汽车能够满足原地换向的功能。而汽车底盘的安全系数也是重中之重，针对汽车底盘的刚度要求进行有限元的仿真，选择正常两轮驾驶模式进行仿真，通过软件ANSYS软件对汽车底盘的数据进行分析。本文通过solidworks建立三维汽车底盘模型，通过ANSYS workbench导入仿真分析。

将三维的模导入ANSYS的有限元分析模型，满载的汽车在水平路面行驶时，车架会存在一个弯曲形态，称之为满载弯曲工况。本设计在弯曲工况选用2.5的动载系数，在仿真时与载荷相乘，同时约束悬挂与车架的接触点。有限元分析结果显示，车架的最大变形量也是为1.1873mm，最大的应力值为24.814Mpa，都主要集中在连接处，说明其后期优化还可以进行改进。同时本论文设计选用的钢材料可以满足该设计的安全程度，所以采用该设计。

通过ANSYS软件对汽车底盘车架进行有限元分析，得到在满载工况下车架的应力仿真图与变形仿真图，分析后进行优化。

本文以实现新能源汽车原地换向功能为目标，对汽车底盘进行改造，使它满足原地换向的设计，提高车辆的操作性。完成了新型转向机构的设计以及整车的三维建模和图纸绘画，一些重要部件的选型，和介绍转向系统的控制方法等，为新能源汽车的高操作设计提供了一定的参考基础。

参考文献：

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