（动力机械及工程专业论文）微型倒三轮电动车转向系统设计及其adams仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 本文是结合武汉理工大学与浙江凯凌集团合作的“新型电动车研发 的课 题进行的研究，因此，课题组进行微型倒三轮电动车的开发。文章首先介绍当 今汽车发展所面临的问题，发展微型电动车对于环保和节能等问题具有很大的 优势，并且受电池和电网改造等技术因素的制约较少，是汽车从工具到作为地 位和象征再到交通工具的回归，研发微型倒三轮电动汽车则具有很大的现实意 义。也从以往电动车都为改装车的现状发展成为一种对整车各种系统进行的全 新设计。 微型倒三轮车是前两轮后一轮的结构形式，前桥采用独立双摆臂式悬架系 统，齿轮齿条式转向器，后桥采用单摆臂式悬架系统，使用电机一皮带轮驱动系 统外形设计以小巧美观大方，反映中国元素是其总体要求，微型倒三轮车将是 普通百姓的理想选择，但是我国市场尚属空白，但还需要国家政策的扶持。 进行倒三轮电动车转向系统设计，文章首先论述转向系的性能要求及转向 系的阿克曼特性，及各种转向器的结构特点最后进行转向器的选择；分析悬架 与转向系的匹配关系及前轮的定位参数值对转向性能的影响，确定前轮定位参 数的初步取值；对转向轮的运动规律进行数学分析及转向传动机构的布置方案， 确定微型倒三轮车的转向传动机构的布置。 通过对整体式转向梯形机构及断开式转向梯形机构的比较，研究发现四轮 车的转向梯形设计方法也适合微型倒三轮车转向梯形设计。根据微型倒三轮车 的性能要求，确定选择断开式转向梯形机构，并计算转向梯形臂的长度“m ， 梯形底角“0 ”，横拉杆两端球铰中心间距“n ”，最后根据绘图法确定转向梯形 断开点的坐标。 根据以上的分析计算，以及选购的零部件，使用u g 建立前悬架及转向系 三维实体模型。根据所建立的三维实体的主要硬点的坐标尺寸、及零件的名称 和连接点，进行a d a m sc a r 建模，建立前双摆臂式悬架与转向系统的模型， 在a d a m sc a r 模块中，对转向系统内、外轮转角及阿克曼特性，使用悬架 “p u l l 分析转向盘的力矩和磨胎半径，及转向梯形断开点进行仿真验证所建立 的模型的可取性。通过仿真，获得了直观的数据曲线，所设计的模型基本满足 要求，为系统设计提供依据，最后进行整车装配并实验验证。经过试验，微型 倒三轮性能样车的转向系统满足车辆的转向性能要求，也证明了倒三轮车是适 应新能源电动车的一种全新车型且具有良好的市场前景。 关键词：倒三轮电动车，a d a m s 软件，转向系统设计，仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h eb a c k g r o u n do ft h ec o o p e r a t i o no fw u h a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya n d k a il i n gc o ，l t di nz h e j i a n g ，w h i c hi sas u b j e c t r e s e a r c ha n dd e s i g nan e w t y p e e l e c t r i cv e h i c l e ”，s ot h ei t e mg r o u pc a r r i e st h r o u g hd e s i g n i n ga ne vn a l t l e “s u b m i n i a t u r er e v e r s e dt h r e ew h e e l se v ( s r t w e v ) ”t h ea r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e d n o wt h ea u t o m o b i l ed e v e l o p m e n tf a c e st h eq u e s t i o n ，t h ed e v e l o p m e n tm i n i a t u r e e l e c t r i cc a rr e g a r d i n gq u e s t i o n sa n ds oo ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g y c o n s e r v a t i o nh a st h ev e r yb i gs u p e r i o r i t y , a n dt e c h n i c a lf a c t o r sa n ds oo nb a t t e r ya n d e l e c t r i c a ln e t w o r kt r a n s f o r m a t i o nr e s t r i c t i o n sa r ef e w , i st h ea u t o m o b i l ef r o mt h et o o l t ot h et a k i n gs t a t u sa n dt h es y m b o la g a i nt ot r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e sr e t u r n ，m o r e o v e r r e s e a r c h e sa n dd e v e l o p st h em i n i a t u r et h r e er o u n de l e c t r i ca u t o m o b i l et oh a v et h e v e r yb i gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eb u ta c t u a l l y t h ec o n f i g u r a t i o no fs r t w e vi st h ef i r s tt w ow h e e l sa n dl a t t e ro n ew h e e l ，t h e f r o n ta x l eu s e st h ei n d e p e n d e n td o u b l ea r mt y p es u s p e n s i o ns y s t e m ，r a c ka n dp i n i o n s t e e r i n gs y s t e m ，t h er e a ra x l eo fc a l u s e sai n d e p e n d e n ta r l nt y p es u s p e n s i o ns y s t e m ， u s e st h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y - b e l tp u l l e yd r i v i n gs y s t e m 1 1 1 ef i g u r ed e s i g nr e f l e c t e d t h a tt h ec h i n e s ee l e m e n ti si t so v e r a l lr e q u e s t i nm yo p i n i o n , i tw i l lb ec o m m o n p e o p l e si d e a lc h o i c e ，b u to u rc o u n t r ym a r k e ti ss t i l lb l a n k ，a n dn e e d st h en a t i o n a l p o l i c yt h es u p p o r t d e s i g n e dt h es t e e r i n gs y s t e mo ft h es r t w e v , t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h ef i r s tt o t h e p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s o ft h e d e p a r t m e n to fa c k e r m a n na n dt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sr e d i r e c t o r f i n a l l y , t h e c h o i c eo fs u s p e n s i o na n ds t e e r i n go ft h em a t c hr e l a t i o n sa n dp o s i t i o n i n gp a r a m e t e r s o ft h ef r o n t w h e e ls t e e r i n gp e r f o r m a n c eo nt h ei m p a c to ff r o n t - w h e e lp o s i t i o n i n g p a r a m e t e r sd e t e r m i n et h ei n i t i a lv a l u e ；o nt h em o v e m e n to ft h es t e e r i n gw h e e l so n t h em a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n dt r a n s m i s s i o nt ot h el a y o u tp r o j e c t st oi d e n t i f yt h e d r i v em e c h a n i s ml a y o u to fs r t w e v t h r o u g ht ot h ei n t e g r a lt y p es t e e r i n gt r a p e z i u mo r g a n i z a t i o na n dt h es e p a r a t i o n t y p es t e e r i n gt r a p e z i u mo r g a n i z a t i o n sc o m p a r i s o n ，t h er e s e a r c hd i s c o v e r e dt h a tf o u r w h e e l e r ss t e e r i n gt r a p e z i u md e s i g nm e t h o da l s os u i t st h es r t w e vs t e e r i n g t r a p e z i u md e s i g n i n a c c o r d a n c ew i t hs r t w e vp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s ， i i i d e n t i f i c a t i o no fo p t i o n st o o f f - t r a p e z o i d a la g e n c i e s ，a n dc a l c u l a t et h el e n g t ho f s t e e r i n ga r m m ，s t e e r i n gb o t t o ma n g l e 0 ，d i s t a n c eo fb o t hb a l l j o i n t sc e n t r eo ft h e t i er o d “n ；t h el a s t ，b a s eo nt h ew a yo f d r a w i n gt oi d e n t i f yt h ep o i n to ft i er o di n n e r b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，a n dc o m p o n e n t st h a tw eb o u g h t ，w eu s et h e s o f t w a r eu gt oe s t a b l i s ht h ef r o n ts u s p e n s i o ni n3 ds o l i dm o d e l a c c o r d i n gt ot h e m a i n l yh a r dp o i n t s c o o r d i n a t eo ft h r e e d i m e n s i o n a lb o d yo ff r o n ts u s p e n s i o na n d s t e e r i n gs y s t e m ，s o m ed e p a r t m e n t sn a m e sa n dj o i n t p o i n t s ，t oe s t a b l i s h a d a m s c a rm o d e l ，d u a l a r mf r o n ts u s p e n s i o na n ds t e e r i n gs y s t e mm o d e l w e u s e da d a m s c a rm o d u l e ，t oa n a l y s i ss t e e r i n gs y s t e m ，a n do u t e ra c k c r r n a n n a n g l e ，a n du s e ds u s p e n s i o n p u l l ”t oa n a l y s i st h es t e e r i n gw h e e lt o r q u ea n ds c r u b r a d i u s ，a n dt os i m u l a t et h es t e e r i n gt i er o di n n e rw h e t h e rd o a b l e t h r o u g hs i m u l a t i o n , w ec a l lg e ts o m ed a t ac u r v e ，a n dt h i n kt h em o d e lt h a td e s i g n e di s m e e t i n gt h eb a s i c r e q u i r e m e n t s ，a n dp r o v i d ea no p t i m i z a t i o nf o rd e s i g nt h ep a r t f i n a l l y , t h ev e h i c l ei s s e tu pa n dt e s t e d a f t e rt h ee x p e r i m e n t ，t h es t e e r i n gs y s t e mo fs r t w e v s a t i s f i e st h e v e h i c l e s p e r f o r m a n c er e q u i r e ，m o r e o v e r , s r t w e va d a p t st h en e we n e r g ye l e c t r i c c a r so n ek i n do fb r a n d - n e wv e h i c l et y p e ，a n dh a st h eg o o dm a r k e t p r o s p e c t k e yw o r d s ：s r t w e v , a d a m s ，d e s i g ns t e e r i n gs y s t e m ，s i m u l a t e i l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 期一彳 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论 文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 当代汽车发展面临的问题 内燃机汽车经过一百多年的发展壮大，其性能已经达到了至高的境界，在 安全、环保、节能和廉价方面取得重大的进展。但是，内燃机具有很多缺点， 正面临着严峻挑战，首当其冲的就是能源与环境问题l j j 。 汽车自1 8 8 6 年1 月2 9 日诞生以来已经经历了1 0 0 多年的历史，其中经历 了三次重大的变革： 第一次变革是美国福特汽车公司推出了t 型车，发明了汽车装配线，使世 界汽车工业的发展从欧洲转向美国。 第二次变革是欧洲针对美国车型单一、体积庞大、油耗高等缺点，开发了 多姿多彩的车型。 第三次变革是日本通过完善管理体系，形成精益的管理方式，发展经济汽 车。 经历了三次变革，汽车行业发展日新月异，更多的汽车被生产出来进入寻 常百姓家庭。如今中国已经是世界上汽车保有量第三大国家，预计，到2 0 2 0 年， 中国汽车保有量将超过1 0 0 0 0 万量。 而目前作为汽车上主要的能源石油，供应存在的矛盾日益突出：我国 1 9 9 6 年已经成为石油进口国，2 0 0 0 年进口依存度3 6 6 ，超过警戒线。2 0 0 4 年石油出现4 个突破：消费量3 1 2 亿吨，增长量5 2 0 0 万吨，进口量1 4 3 亿吨， 其中原油为1 2 亿吨，依存度达到4 5 7 ，进5 年平均进口年增长2 0 0 0 万吨。 美国每年石油消费7 亿吨，进口4 亿吨，依靠强大的经济政治军事力量获得， 而我国要进口4 亿吨是非常困难的，由此可见，我国已经面临着石油能源危机。 环境机动车辆运行对环境的影响主要是大气污染和噪声污染。世界卫生组织确 认为6 类大气污染物质：一氧化碳( c o ) 、氮氧化物( n o x ) 、悬浮颗粒物( p m ) ( 包括尘土、烟灰、烟雾等) 二氧化硫( s 0 2 ) 、铅( p b ) 等。机动车辆污染物 主要有其中5 项。机动车是城市噪声污染主要来源之一。根据美国e p a l 9 9 4 年 公布的资料，在大气污染中，6 1 3 的c o 来只于汽车，3 1 9 的n o x 来自汽车， 2 8 3 的p b 来自汽车，1 4 的s 0 2 来自汽车，o 7 的p m 来自汽车。 武汉理工大学硕士学位论文 在城市环境中，机动车排放的c o 和n o x 是城市空气污染的最主要来源， 城市空气污染是环境污染的一个重要方面，因为全球4 7 的人口生活在城市， 并且世界城市化还在以每年2 的速度增加，越发达的地方城市化水平越高，欧 洲城市化水平达到7 0 ；同时城市建筑物、人口等的密度非常大，空气流通性 差；世界机动车中保有量的绝大多数在城市，机动车辆的运行和排放水平极大 的影响了城市空气质量水平。比如，洛杉矶市在1 9 4 3 年第一次发生光化学污染 事件，此后年复一年在夏、秋季节不断发生，在1 9 5 5 年最严重，曾造成约4 0 0 名6 5 岁的老人死亡，1 9 7 0 年东京也发生过一次光化学污染事件，受害人达到 6 0 0 0 人。洛杉矶的光化学污染事件造就了加州空气资源委员会在制定机动车辆 污染物排放上的权威地位，世界第一部机动车辆污染物排放法规就是诞生在这 里，第一个机动车污染物控制装置就是在洛杉矶市使用，从此形成今天越来越 严格的排放法规。见表1 欧洲排放标准。 表1 欧洲排放标准【1 】 法规车型 c oh cn o xh c + n o xp m 实施时间 名称 ( g k i n )( g k m )( g k m ) ( g k m )( g k m ) 汽油机 2 7 20 9 70 1 4形式认证 欧i 1 9 9 2 7 1 柴油机 3 1 61 1 30 1 8 一致认证 1 9 9 2 1 2 3 汽油机 2 20 5形式认证 1 9 9 6 1 1 欧i i非直喷 1 0 70 0 8 一致认证 柴油机 1 9 9 7 1 1 直喷柴1 o 90 1 油机 汽油机 2 30 20 1 5形式认证 欧i i i 2 0 0 0 1 1 柴油机 0 6 40 50 5 60 0 5一致认证 2 0 0 1 1 1 汽油机 lo 1o 0 80 0 2 5形式认证 欧 2 0 0 5 1 1 柴油机 0 5o 2 5o 3 一致认证 2 0 0 6 1 1 2 武汉理1 二大学硕士学位论文 1 2 发展电动汽车的优势 电动汽车用电能作为驱动能源，电能是一种二次能源，是由其他能源转换 来的，目前应用范围最广的是利用煤作为矿物燃料实现火力发电，煤占全世界 矿物燃料储藏量的9 1 ，广泛分布于世界各地，而石油和天然气只储存在特定 的地域，仅占世界矿物燃料储藏量的4 和5 ，而且火力发电对大气环境造成 的污染范围上也相对内燃机汽车要小得多。同时，获得电能的其他途径也非常 丰富，包括太阳能发电、风力发电、水力发电、潮汐能发电、核能发电等等， 电能的获取过程中的环境污染比较小，成本也比较低，是一种取之不尽，用之 不竭的“绿色能源”。而且，电能作为车用能源，在使用过程中能实现“零排放”， 所以将电能作为汽车动力源，不仅具有经济优势，而且能减轻交通运输对石油 的依赖，能使“柴油慌 、“汽油慌”等名词不再出现在人们的视野1 2 j 。 1 3 电动汽车发展的发展和现状 国外的发展状况，德、日、法、美这几个汽车工业发达国家，到目前为此 都己研制出实用的电动汽车，其中包括大客车、轿车等。 1 3 1 美国 美国几大主要汽车制造商已广泛深入地开展了电动车的研究，其中通用汽 车公司是电动汽车行业的领导者。通用与美国能源部合作，用m h - n i 电池取代 铅酸电池，使电动车一次充电行驶距离达到1 6 0 k m ，1 9 9 1 年美国三大汽车公司 签订协议，合作研究电动汽车用先进电池，成立先进电池联合体。同年7 月美 国电力研究院参加了美国先进电池联合体，1 0 月布什总统批准了2 2 6 亿美元拨 款资助此项研究。福特汽车公司投资1 5 亿英镑开发电动汽车，1 9 9 3 年研制成 功，现己生产8 1 辆，分赴美国各地进行试运行，采用4 8 0 个钠硫单元电池，取 代原来的铅酸电池。通用汽车公司1 9 9 0 在洛杉矶展出“冲击 电动轿车，1 9 9 4 年生产5 0 辆。1 9 9 5 年美国电力研究院、克莱斯勒公司与南加州爱迪生公司共 同开发5 0 辆电动货车，1 9 9 5 年3 月统计数据，美国现有1 9 0 家电动汽车生产 企业，共有电动汽车2 0 0 0 多辆。 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 2 日本 日本政府特别重视电动汽车的研发，1 9 7 1 年日本通产省就制定了电动汽车 的开发项目，1 9 9 1 日本通产又制定了“第三届电动汽车普及计划 ，提出到2 0 0 0 年日本电动汽车的年产量达到1 0 万辆，保有量达到2 0 万辆。日本大阪市由市 政府、大发汽车公司、蓄电池公司和电力公司共同促进电动汽车的地方发展， 采用优惠的租赁方发来鼓励用户购买电动汽车。并建立1 0 个快速充电站，促使 电动汽车的推广。 1 3 3 法国 法国标致一雪铁龙与雷诺两大汽车公司一直在积极研制，1 9 9 0 年的j 5 和 c 2 5 电动货车投入生产，1 9 9 5 年将标志1 0 6 和雪铁龙a x 电动车投入生产。法 国能源部、标志一雪铁龙公司和罗切里市签订协议从1 9 9 3 年9 月开始，该市试 用标志1 0 6 和雪铁龙a x 改装的电动轿车2 5 辆，并在该市建立9 个公共地面充 电站，3 个快速充电站，1 9 9 4 年7 月5 0 辆电动轿车己行驶3 2 7 万公里，法国 政府计划在巴黎等2 7 个城市中继续推广电动车。 1 3 4 德国 德国政府十分重视电动汽车的开发，并鼓励用户购买电动汽车。1 9 9 1 年在 拜尔州投入了3 0 0 辆电动汽车运行。拜尔州还拨款4 0 0 万马克，用于资助用户 车价的3 0 来购买电动汽车。另外，汉堡市也采取资助用户车价的2 5 来鼓励 用户购买电动汽车。德国政府指定奔驰汽车公司和大众合资建立的德国汽车工 业有限公司的科技开发机构，1 9 9 2 年德国政府拨款2 2 0 0 万马克，在吕根( r u g e n ) 岛建立欧洲电动汽车试验基地，对6 4 辆电动汽车和电动汽车的试验系统工程进 行长达4 年的大规模试验。 1 3 5 我国 在国家科委和机械工业部的领导和组织下，我国电动汽车得到了迅速发展， 1 9 8 7 年1 2 月成立了中国电工技术学会电动车辆研究会，统筹规划了我国电动 车辆单元技术的研究、开发和技术攻关等工作，组织单元器件的分工配套生产 和电动车辆整车的试制和试验工作，试制出我国第一批电动车辆。我国还在广 4 武汉理工大学硕士学位论文 东省汕头市南澳县建立了第一个电动汽车示范场地，对电动汽车进行大量的研 究和试验。1 9 9 6 年在北京举办了“9 6 北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术交 流、研讨会暨展览会 ，欧、美、日各国展出了2 0 世纪9 0 年代所开发的新型电 动车辆，我国也有多种电动车辆参加展出。1 9 9 9 年1 0 月“第1 6 届国际电动车 会议暨展览会 又在北京召开，欧、美、日各国派出大型展团，展出了跨2 l 世 纪的电动车辆、高能电池、新型控制装置等先进产品和先进技术，对发展我国 电动汽车事业提供了各种宝贵信息和电动汽车的模式。推动了我国电动汽车的 快速。 1 4 微型电动车 1 4 1 微型倒三轮车是电动车设计的新概念 以往，设计开发电动车基本都是在原有车辆上进行改装动力系统，而要达 到原车辆的动力性能要求必然要对车辆动力系统提出更高的要求，因此就出现 诸如蓄电池技术、电网改造技术等方面的技术制约，而微型倒三轮车是一种全 新的设计，不管对底盘、外形、还是动力系统来说都是一种全新的设计，跳出 了传统电动车设计的框框。微型电动车特点是重量轻，体积小，设计时速较低， 适合作为上下班代步用车，以及老人接送小孩上学使用等，道路行驶上具有行 驶里程小的特点，其使用特点类似如今大量使用的电动自行车，非常适合我国 的国情。因此不需要使用与燃油相同质量的蓄电池，减少了蓄电池对微型电动 车的制约，和更进一步降低了车重，减少了钢材等材料的使用。另外，短途旅 行不需要使用高容量的电池组，加上当今电池充电技术的进步，使得微型电动 车可以用常规电源进行充电，如同电动自行车，因此对电网及电力系统的冲击 也降低到比较低的限度。而且，发展节能环保的和谐社会的大背景下，燃油汽 车发动机无论技术能做到多先进，宣传得多省油多低污染，但是还是会大量消 耗和排放大量废气。而微型电动车车型小巧，尽可能减少钢材等的消耗，使用 电能作为动力源，无废气污染，还我们蓝色的天空，由此可见，发展微型电动 车是从观念上改变节能概念。 1 4 2 微型电动车是汽车发展的回归 众所周知，在汽车的发展历史上，人们是将汽车作为一种交通工具来发明 武汉理t 大学硕士学位论文 的，从而使人们的生产生活得到了巨大的进步。早期由于科技的落后，汽车的 生产量少，从而只有富有的人才可以拥有的奢侈品，成为了身份的象征，直到 福特先生发明了汽车流水生产线，汽车才逐渐平民化。而我国，人们的富裕程 度还难以和发达国家相比，汽车还是一种身份的象征，购车成了我们平民百姓 一生中的“重大决策 来考虑，汽车离真正意义上的“工具 还相差甚远。而 发展实用、低速节能、价格便宜的微型电动车，将会是汽车发展的回归。微型 电动车低速行驶，作为上下班、以及接送小孩上学等短途交通工具，细分了汽 车市场，在现在节能环保的呼声越来越成为主流的情况下，这种重量轻、车速 低的微型电动车无疑将是其有力的支持者。希望微型电动车的出现能再现福特 汽车当年的创造的辉煌，实现汽车发展的回归。 1 5 课题研究的内容及意义 1 5 1 本论文研究的内容 设计一种底盘是倒三角形三轮电动车，前轴两轮为从动转向轮，后轴一个 驱动轮与前两轮形成等腰三角形分布。我们主要工作内容包括如下几个方面： ( 1 ) 研究汽车底盘系统设计方法及步骤，打下坚实的理论基础，并进行微 型倒三轮车概念设计。 ( 2 ) 分析当今国陕j # l - 倒三轮车的发展情况，进行微型倒三轮电动车的市场 分析。 ( 3 ) 进行转向系统的设计及部分零部件的选型，确定转向系统设计方案。 ( 4 ) 进行转向梯形设计，确定转向梯形各参数的取值，为设计设计零部件 提供数据。 ( 5 ) 根据选型的部分零部件，使用u g 2 0 软件绘制非标准零部件的加工零 件图和选型的零部件三维图，进行零部件的虚拟装配。并根据三维图确定各主 要硬点的坐标，建立a d a m sc a r 模型，进行运动分析，并根据分析结果优 化零件图。 ( 6 ) 根据三维图制作二维工程图联系加工厂生产零部件。 ( 7 ) 装配整车进行实车实验。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 2 课题研究的意义 目前国内、外研究纯电动汽车的有很多企业及院校，在技术上相对都比较 成熟，但是很多都是采用改装车辆动力系统的方法设计电动车，经济性及实用 性上还是没有能达到所期望的水平，并且由于电网的供电能力的局限性，使得 电动汽车没有能走入寻常百姓家里。在中国，人们都有这样的观念：买得起车 但是养不起车。在这样的形式下，电动自行车发展如雨后春笋，这种小型实用 的电动自行车成为人们重要的交通工具。但是电动自行车也有其天生的缺陷即 安全性差等问题，因此，如果能研发相对一种微型的、价格便宜的、维护简单 的、安全性好的微型电动车以替代电动自行车或者已经逐步被禁用的摩托车， 使人们的出行更方便，何乐而不为呢? 而且，我国市场依然空白，具有广阔的 市场前景，微型电动车是一种小巧且重量轻，因此耗能较低，响应节能和环保 大背景，本课题也应浙江凯凌集团的要求，着手进行该车型的研究与开发。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章微型倒三轮电动车的设计及市场分析 2 1 三轮车概念 2 1 1 三轮车 汽车诞生的时候，三轮汽车就已经出现了，近年来，为了解决能源危机、 环境污染和交通堵塞等问题，三轮汽车在微型汽车的行列中的数量不断增加。 世界各国汽车制造商争先恐后地研制出各种三轮汽车，在欧洲和日本，三轮汽 车取得了很大的发展。这些新型结构的三轮汽车用于人员运输时，给人一种全 新的驾驶感受。三轮汽车底盘结构简单，与四轮汽车相比，它减少了质量和成 本。1 8 8 4 月，德国的卡尔本茨在曼海姆制成汽油发动机三轮汽车，应该注意 的部分，是卡尔奔驰因为不满意当年早些时候设计出的四轮车的操控性能，特 地将它制造成了三轮车，这让后世的设计师在缅怀先辈的功勋时，不得不意识 到先辈对汽车形式的最初定义。所以，他们纷纷用自己的想象，来完成向先哲 的致敬是三轮，不是四轮或者其他。 人们常说驾驶三轮汽车危险，这正是三轮汽车令人激动的一面。在多弯道 路上，驾驶着三轮汽车会使人们感受到一种生活中少有的刺激，而事实上，三 轮车并不危险。 2 1 2 三轮车的布置形式 三轮汽车车轮主要有两种布置形式：主要是单轮前置正三轮、单轮后置倒 三轮】。 1 、单轮前置正三轮车。单轮前置正三轮汽车的布置具有一种形体美，窄的 前端宽的后端车体组合成一种自然的形状。车上两座并排布置，乘客面向前方。 三轮汽车车宽正好是两位乘员的肩宽加上必要的活动空间，在乘客的脚下，宽 度变窄，这种基本的造型更适合人体的坐姿和车身的流线型。单轮前置三轮汽 车，在制动时车辆抗翻能力增加。 2 、单轮后置倒三轮车。单轮后置倒三轮汽车，制动不会产生任何问题，它 可以抵消由转向引起的向外的作用力，足以阻止翻车。相反，在加速时，汽车 后部产生一种向外的合力，使抗翻能力减弱。然而，加速时产生的力明显比制 武汉理工大学硕士学位论文 动力小，结果，单轮后置倒三轮车产生不希望的合力幅值明显比单轮前置小。 另外采用单轮后置的形式，还可以减少差速器等复杂零件，前轮再采用独立式 悬架系统，使车辆的乘坐舒适性比单轮前置形式更佳。而本文的主要研究对象 就是单轮后置的倒三轮电动车。 2 2 倒三轮电动车类型 现在提起三轮汽车，一百多年前的汽车始祖奔驰三轮车将不再是人们 的唯一联想，今天的三轮汽车绝非是单纯的复古，倒三轮的创新技术、新技术 新材料的运用，新生的三轮汽车已经是性能、节能的又一个代名词。微型电动 是其发展的趋势。 2 2 1 国外倒三轮电动车使用状况 在欧美等国家人们对电动车的需求从没有像今天这样强烈。电动车虽然车速 不高，继航能力也有限，在福特公司的人回答说，典型的市区轿车应该是这样： 低速短途，一名乘客和一只手提箱。根据权威机构的一项调查事实说明( 美国的 出行者中有8 7 的人每天的活动半径不会超过3 0 公里，而其中的9 0 的人又是独 来独往的。根据这样的数据为美国的c o r b i n p a c i f i c 公司生产种称为“麻雀 的单人袖珍电动汽车提供了充分的市场依据。而“麻雀”单人袖珍电动倒三轮 车，在美国一上市，便引起了轰动。在排放法规最为严格的n , j 州，这种电动的 “麻雀”随处可见，无论是在自家的后花园，还是超市门前，抑或美丽的海滨 公路，“麻雀”的身影总是能引起路人的关注。以“麻雀 为原型进行改装的 其它交通工具也大行其道，包括送货车、电动邮车、电动游览车等。随着能源 危机和石油价格上涨的压力，这种轻便、环保的电动倒三轮小车越来越受到大 家的欢迎。另外瑞士的“萨姆”和大众三轮“g x 3 ”也都因为小巧轻便、安全 环保、价格适中受到消费者的追捧p 儿6 。 2 2 2 国外三轮车发展的政策 各国政府在大力扶持大型汽车集团的同时，纷纷采取投资、税收优惠、政 府补贴促进消费的政策，促进电动车的发展，以“双p 战略促进电动车产业的 发展。双p 战略即用p u s h ( 推) 矛f l p u s h ( 拉) 两种力量促进事业的发展【7 1 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 推：建立严格的空气污染治理法律和节能法规，限定非电动汽车的生产与 消费，例如，美国有空气清净法、国家能源法，强制性要求各汽车公 司电动汽车的销售量达到总销售量的一定比例。日本有汽车n o x 污染防治法， 强制要求政府各机构必须逐年增加电动汽车保有量的比例；在瑞士，旅游观光 基地禁止行驶燃油汽车等。 拉：制定各种研发计划、优惠政策，投入资金，鼓励研究、生产、经销和消 费电动汽车。欧盟的“明日汽车行动计划”、美国的“自由车计划”f r e e d o mc a r ， 还有日本的“低公害车开发普及行动计划”等，都为发展电动交通工具提供了 土壤。代表着当代先进水平的福特汽车公司的t h h a k 、通用汽车公司的i m p a e k 、 丰田汽车公司的e - e o m 等得到迅速发展。 2 2 3 倒三轮车代表产品 2 2 3 1 美国的“麻雀”电动车 它的设计思想很简单是单人座椅，单轮后置式三轮电动车，较轻的车 重( 满载7 2 0 k g ) ，电池动力( 1 5 6 v = 1 2 v x l 3 个) ，2 0 k w 直流电动机。公司将 其定位成上下班的代步工具。这种“麻雀”电动汽车车体很小( 长、宽、高是 2 3 0 0 m m x1 0 0 0 r a m x1 5 0 0 r a m ) ，停车方便，时速6 5 到9 8 公里，最高时速1 0 5 公里。人们把它描述成类似于摩托车的电动汽车。如图2 - 1 所示。 图2 - 1 美国的“麻雀”电动车 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 2 瑞士“萨姆”电动车 “萨姆”电动车是一前一后双人座椅，单轮后置式三轮电动车，较轻的车 重( 满载6 9 5 k g ) ，电池动力。公司也将其定位成上下班的代步工具。这种“萨 姆”电动汽车车体也很小( 长、宽、高是3 1 6 2 r a m 1 5 5 3 n u n x1 4 9 3 m m ) 如图2 - 2 所示。 图2 - 2 瑞士的“萨姆”电动车 2 3 倒三轮电动汽车结构设计 2 3 1 倒三轮车底盘设计 2 3 1 1 前桥系统 倒三轮车底盘前桥系统。倒三轮车是前两轮后一轮的结构形式，前悬可以 采用独立式悬架或者非独立式悬架，但是，当今人们对安全性以及舒适性等生 活品味的已有很大的提高，而倒三轮电动车设计的主要目标是为替代比较危险 以及舒适性较低的摩托车及电动自行车，因此，前悬架采多用独立式悬架系统。 独立式悬架系统又有双摆臂式和麦克弗逊式独立悬架，这两种悬架系统各 有优势。微型倒三轮采用后轮驱动，而且车型一般比较小巧，为了减少车辆的 前端高度，基于以上原因，多采用双摆臂式独立悬架，比如，美国的“麻雀车”， 瑞士的“萨姆”等比较典型的微型倒三轮车都是采用双摆臂式悬架系统。 前桥系统中，还有一个重要的系统是转向系统，为了降低成本，倒三轮电 武汉理工大学硕士学位论文 动车太多用齿轮齿条式转向器，此类转向器具有质量轻价格便宜等特点，且完 全能满足性能的要求。但是微型倒三轮电动车是为了替代摩托车，小巧是其最 基本的特点，因此，车宽就有了一定的限制，而且前排座位仅为单司机座，方 向盘置中，再加上转向系断点位置等诸多因素，必须考虑齿轮齿条式转向器的 长度问题，如采用侧边输入中间输出的齿轮齿条式转向器，将会是很好的选择。 2 3 1 2 后桥系统 倒三轮车只有一个后轮，因此它的后轮悬架就将可以做成更简单的形式。 可以采用单摆臂式，也可以使用双平行摆臂式悬架。 采用单摆臂式独立悬架，如美国的“麻雀车”就是使用单摆臂式悬架，如 图2 - 3 所示。在保证车辆的稳定、安全性的前提下，采用单摆臂式悬架可以更 方便地更换轮胎。但是采用单摆臂式悬架设计难度比较大，对摆臂的强度和结 构安装要求比较高，而且悬架减振器、制动器以及皮带盘都装在同一边，因此 安装难度比较大。 图2 - 3 “麻雀车”后轮悬架系统 采用双摆臂式独立悬架，如瑞士的“萨姆”就是使用双摆臂式悬架，如图 2 4 所示。采用双摆臂式悬架就要考虑更换轮胎的方便性，但是对双摆臂式悬架 的对成布置形式更符合我们中国人的审美观点。 武汉理工大学硕士学位论文 f 凄鞫勰鲢垂 图2 - 4 “萨姆”底盘悬架系统 根据以上的分析，我们选择了单摆臂式独立悬架系统，设计结构示意图如 图2 - 5 所示。 图2 5 后悬架结构示意简图 减振器，2 后半轴，3 皮带盘4 一后摆臂，5 - 车轮 2 3 1 3 底盘驱动系统 微型倒三轮电动汽车，更适合采用后轮驱动的形式，因为体积本来就比较 小，前轮有悬架减震系统和转向系统，以及车辆的电子控制部件也放在车体前 端，因此，采用后轮驱动笔者认为是最佳选择，后轮驱动可使用的驱动方式有： 1 ) 电机、皮带轮驱动系统： 2 ) 轮边电机驱动系统； 3 ) 轮彀电机驱动系统。 以上的三种方法中，使用电机、皮带轮驱动系统比较常见，该方法即简单 武汉理工大学硕士学位论文 成本低，又容易布置，但是必须安装有张紧装置，否则在起步、加速、上坡等 需要加大转矩的时候，容易引起皮带“打齿”现象，此外，皮带还需要阻挡限 位装置，不然皮带也较容易脱落，从而引发事故。但是以上这些问题也都是可 以克服的。使用轮边电机，由于采用的是独立悬架系统，因此必须将电机驱动 系统安装在悬架，以保证电机驱动轴与轮胎同心，因此，在电机各参数中，尺 寸和重量成为考虑的主要因素，现在采用轮边电机仍然有一定的难度。随着电 机技术的进步，已经可以设计出外形小，功率大的轮毂电机，如果采用轮毅电 机，电机就可以安装在轮辋内，不仅美观而且减轻了车重，使车辆后轮各系统 的布置更简便，而且占用车身的空间小了，电动车的外形可以做得更加美观大 方，能做出更符台我们中国人审美观点的车来。 根据我们的实际情况以及车辆的成本预算，我们选择了相对简单及成本较 低的电机、皮带轮驱动系统。 2 3 2 造型概念设计 在我国，人们购买汽车往往将车辆的外形作为重要的标准，因此，将倒三 轮电动车的设计成什么样一直困扰着我们，加上我们不是美术设计的行家里手， 给我们的工作带来了很大的困难。设计外形首先考虑的车型的定位，微型倒三 轮车的目标就是替代安全性和舒适性比较差的摩托车和电动自行车，因此，外 形小巧，美观大方，反映中国元素是其外形设计的总体要求，最后，我们委托 艺术设计专业的专家为我们设计外形。最后，我们选择了如下图2 - 5 所示。 图2 - 5 外形设计方案草图 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 我国微型倒三轮电动车的市场分析 2 4 1 市场优势 这样的微型倒三轮电动车在我国具有的市场优势有如下几点：1 9 j ( 1 ) 微型：流线型全封闭或半封闭电动三轮车，成本造价低廉、外形时尚、 新颖。适于在狭窄的城市街道穿梭行驶，停车容易，目前在中国的市场依然是 空白的。 ( 2 ) 响应当今环保节能的趋势：目前，由于汽车、摩托车对城市大气污染 的程度越来越高，在许多大城市如京、津、沪、穗已明令禁止燃油摩托车、燃 油助力车上牌照，而且汽车、摩托车不管技术有多进步，性能不管有多优越， 耗能量和对大气污染水平也不会有质的改变，而微型电动车的节能、环保的特 性无疑为微型电动车提供了广阔的发展空间，受到人们的青睐。面向城市工薪 阶层、城乡中老年人和残疾人，开发这种具有轻便快捷、节能省力、安全可靠、 无污染排放、噪声低、机动灵活、环保等优点的微型倒三轮车，是理想的市场 机会。该项目在全国尚属于空白市场，市场潜力巨大，前景光明，涉及到交通、 旅游、环保和广告领域，未来利润空间极大。 ( 3 ) 性能安全：根据前面的2 1 2 节分析介绍可知，倒三轮车也具有较高的 抗翻能力，而且课题组所研发的微型倒三轮车采用方向盘操作，简单易行；前 轮为独立式悬