（机械设计及理论专业论文）全向驱动电动轮关键技术研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，全向驱动电动轮关键技术研宄 是本人在指导教师的指导f ，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：查皇鳖盘i f 年1 月呈生口 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定1 同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和亍= 编学位论文。 作者签g ：垒自鳖堂必二王月2 生日 指导导师笠名：2 j 兰型塑! 1 年l 月兰卫i l 摘要 全向驱动电动轮系统是以四轮全向协同驱动技术、无刹车驻车技术和四轮独立控 制技术为核心的行走机械基础部件，具有控制灵活、适应范围广、过载能力强、系统 性能可靠，维护方便等特点。其研究的实施将为行走机械行业提供一种组态灵活的标 准化产品对行业标准的制定起到铺垫作用，使系统具有更好的适应性，缩短设计时 间和减少重复设计，有助于设计效率的提高。 本文通过对车辆轮毂、悬挂和传动系统进行分析，在满足功能要求和参数要求的 基础上完成了全向驱动电动轮轮毂、悬挂和传动系统的类型选择和结构设计：基于 对模块化电动轮系统的可行性分析，满足模块化设计要求，实现了电动轮系统的模块 化| 殳计，| 殳计的通用型模块化电动轮可适应多种车型：以相似理论为基础设计丫试验 模型，在满足试验要求的基础上，对原型进行了一定程度的简化，制作了试验样机； 完成了对硬件和软件的设计，实现了对试验样机的协同驱动和控制。试验系统满足各 项功能与参数要求能够安全、可靠、稳定地工作，为全向驱动电动轮系统的发展和 应用提供理论基础和试验数据，同时也对行走机械方面的发展起到了铺垫作用。 关建宇：电动轮全向协同驱动独立控制无刹车驻车模块化设计 a b s t r a c t t h es y s t e mo f e l e c t r i cd r i v i n gw h e e li na l ld i r e c t i o n si sab a s i sc o m p o n e n to f w a l k i n g m a c h i n e r yw i t ht h ec o r eo f f o u r - w h e e ld r i v i n gs y n e r g i s t i c a l l y n op a r k i n gb r a k ec o n t r o la n d f o u r - w h e e li n d e p e n d e n tc o n t r o l l e dt e c h n o l o g y ；i ti sc h a r a c t e r i z e db yf l e x i b l ec o n t r o l ，w i d e r a n g ea p p l i c a t i o n s t r o n g o v e r l o a d c a p a c i t y ，r e l i a b l es y s t e mp e r f o r m a n c ea n de a s y m a i n t e n a n c et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h er e s e a r c hw i l lp r o v i d eap r o d u c ts t a n d a r dw i t h f l e x i b l ec o n f i g u r a t i o nf o r w a l k i n gm a c h i n e d i n d u s t d p l a y a f o u n d i n g r o l ei nt h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r ys t a n d a r d s m a k et h es y s t e mh a v eab e t t e ra d a p t a b i l i t yr e d u c e d e s i g nt i m ea n dd e s i g nd u p l i c a t i o ni m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y i nt h i s p a p e rt h r o u g ha n a l y z i n gt h e w h e e ls u s p e n s i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e ma sa b a s i so fm e e t i n gt h ef u n c t i o na n dp a r a m e t e rr e q u i r e m e n t s d e s i g nt h es u s p e n s i o na n d t r a n s m i s s i o no f t h ee l e c t r i c w h e e l i n c l u d i n g t y p es e l e c t i o na n ds t r u c t u r ed e s i g n t h eb a s i so f f e a s i b i l i t ya n a l ) s i s d e s i g nm o d u l a re l e c t r i cw h e e ls y s t e m u n i v e r s a lm o d u l a re l e c t r i cw h e e l c a nb ea d a p t e dt oav a r i e t yo f v e h i c l e st h eb a s i so f t h es i m i l a rt h e o r y m o d e li sd e s i g n e d i t c a nm e e tt h et e s t r e q u i r e m e n t s i m p l i l j vt h ep r o t o t y p ei n ac e r t a i nd e g r e e p r o d u c e e x p e r i m e n t a lp r o t o u p ed e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ；i m p l e m e n tc o o p e r a t i v ec o n t r o l f 0 1t e s t i n gm a c h i n et e s tm e e t st h ef u n c t i o na n dp a r a m e t e rr e q u i r e m e n t s c a nb es e c u r e r e l i a b l ea n ds t a b l ew o r kp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa n de x p e r i m e n t a ld a t af o rt h ew h o l e s y s t e mo f e l e c t r i cd r i v i n gw h e e li na l ld i r e c t i o n sa n dp l a yak e yr o l ef o rw a l k i n gm a c h i n e r , i n d u s t r y k o r d s ：e l e c t r i ch h e e ld m i n gs ) n e r g i s t i e a l l i na l ld i r e c t i o n s i n d e p e n d e n tc o n t r o l n op a r k i n gb r a k em o d u l a rd e s i g n 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 目录 l 国内外研究发展现状 i l1 1 四轮全向协同驱动与控制方面的发展2 l1 2 模块化电动轮方面的发展5 jl3 无刹车制动方面的发展 6 2 课题研究的目的和意义 6 3 课题研究的主要内容7 第二章全向驱动电动轮系统的设计基础9 2 1 四轮全向协同驱动与控制 一 9 21l 四轮独立驱动与控制的优势分析 9 2 12 四轮角度关系分析 】0 2 2 模块化电动轮 1 2 2 2i 模块化设计的优点和方法 1 2 2 22 模块化设计的可行性 l5 2 3 无刹车制动方式 1 6 231 汽车制动性能的评价指标 1 6 232 电动轮的制动方式分析 1 7 2 4 模型试验 】8 第三章电动轮系统设计 3 i 轮毂系统设汁 2 0 32 悬挂系统设计 2 1 32i 悬挂系统的基础理论 2 l 322 悬挂系统的类型选择 2 3 323 悬挂系统的结构设计 2 5 33 传动系统设计 2 9 33 1 传动系统的类型 2 9 332 传动系统的计算 3 i 333 传动系统的结构设计3 3 第四章试验论证 4 i 结构设计 42 控制设计 第五章总结与展望 3 ( i 3 9 5 1 总结 5 2 展望 致谢 4 4 参考文献4 6 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文。4 8 附录2 模型试验的控制程序 国内外研究发展现状 第一章绪论 电动轮就是将电动机、传动系统和制动系统按照一定的方式结合成为一个整体结 构，这样它不仅能够采取单独维修的方式还能够采取系统统一装卸和修理的方式无论 是在用途方面还是维修方面都更快捷和便利随着科技的进步和发展，行走机械领域 的发展也日新月异电动轮也朝着整体结构越来越简单紧凑，占用的空间更小，对四 轮的独立驱动和控制方面更具适应性，当车辆遇到非平顺路面时也能够实现良好控制 的趋势技展，这种趋势将使电动轮系统在应用和推广价值上有着更好的发展前途口i 。 目前现有的电动轮按结构分类，能够分成三种形式：( 1 ) 轮毂电动机的形式，是 将电动机和轮子直接安装，如图11 ( a ) 所示；( 2 ) 电动机和减速装置直接安装的形 式，轮胎与减速装置的输出部分相连，如图1l ( b ) 所示：( 3 ) 电动轮与减速器直接制 造成为一个整体，维修和拆卸都是统一处理，如图1l ( c ) 所示”i 。 一一一丽一广 一万厂一一 一。 ：i - 一丑“蠢_ 噩 一 ； 一 皿，墼 。j 一塑卜。一里卜。一| 厂一一? ( a )( b )( c ) 圈1i 电动轮按结构分类 全向驱动电动轮系统是以四轮全向协同驱动技术、无刹车驻车技术、四轮独立控 制技术为核心的行走机械( 一般指工程机械、农业机械、矿山机械和专用车辆) 基础 部件，它叭电动轮理论作为基础，不仅具有电动轮所具有的控制灵活，维护方便等优 点，同时由于引入了其他驱动和控制技术，使它还同时具有适应范围广、过载能力强、 系统性能安全可靠等优点，因此成为f 一代高端叉车、飞机牵引车、舰载车辆装备等 高可靠行走机械的核心技术，并作为商业秘密被国外少数几家跨国企业所掌握，这给 了他们垄断相关市场的犬好机会和条件。 我国行走机械行业总体技术水平较低产品创新能力和自主开发能力不强研制开 发投入的资金不够充分：企业技术改革的力度空间远远达不到需要的改革目标制造技 术陈日落后生产资料等基础配套蹬施跟不上时代发展的步伐影响了行走机械产品质 量品质和机电一体化水平的提高；行走机械相关产品的开发缺少与工艺的良好配合 生产加工过程中存在诸多问题，对产品的生产效率和使用效果都有着很大的影响：相 关政荒不够完善影响了国产行走机械产品的发展力和竞争力h i 。当然冲国行走机械行 业的发展m ；只是存在缺点和不足，也有属于自己的优势随着中国市场的不断扩大，发 展的机会也不断增多我国与国外笈达行走机械企业的交流与台作机会也在不断增加 通过加强技术交流和优势互补将会加快我国行走机械领域的发展步伐埔小与发达国 家之问的距离在竞争中寻求共同的合作和发展空间。 目前，从国际上来讲由于全向驱动轮系统在具体实现上存在一定的难度，全向 驱动轮行走机械的市场化进程才刚刚起步，目前只有丹纳赫、科蒂斯等公司有两轮电 子差速类相关产品的设计和销售。为了垄断全向驱动电动轮系统的市场，国外全向驱 动电动轮系列产品对我国实行禁运政策两轮电子差速类的相关产品在国内市场也仅 仅是限于国内一些比较有实力的大型叉车厂，针对相关产品的尺寸和参数进行量身定 做。这样就使每套驱动器和控制器被设定为只能适合一种型号的产品，而且购买国外 先进的驱动器和控制器是有附加条件的，必颂提供相关产品详细的设计参数和市场需 求情况，使我国全向驱动轮系统相关产品的研制和开发技术全部掌控在国外技术先进 的公司手中对我国国内自主研发具有非常不利的影响，问接导致了我国住发展全向 驱动轮系统上的落后局面。这种状况也已成为国内行走机械产业升级和持续创新的瓶 颈性障碍，使我国在全向驱动轮系统方面还不具备产品化的技术，一般都只是在理论 上寻找一些突破点和创新点，而且也都是在现有理论的基础上做细微的改动，并没有 深入地对全向驱动轮行走机械进行大规模的具体研究和分析也没有在相关产品化进 程中取得太大的成绩。但是随着科技的高速发展，行走机械开始涉及多领域融台。包 括机械，电子，控制等领域的共同参与，给全向驱动电动轮系统的发展提供了更多的 机会和可利用因素，所以在全向驱动轮行走机械的应用上还有更好的发展空间和前景。 以国内叉车行业为例，现在只有双轮差速驱动及控制技术被有限的应用在一些高 端叉车产品上，但是核心的技术和软件依旧被国外技术发达的公司所掌握。以自卸车 为倒，在2 0 0 8 年随着我国拥有完全自主知识产权的2 2 0 吨的交流传动电动轮自卸车 的成功投产，它一举拿下了整车集成优化技术、交流变频技术、液压系统研制这三个 技术疑难问题p j 标志着我国在行走机械的设计和制造技术方面是可以通过自身的努 力取得良好成绩的这也将会给我国在全向驱动轮系统的研究上提供巨大的信心支持。 四轮全向协同驱动与控制方面的发展 l 四轮独立驱动和控制车辆控制方法的发展 基于四轮独立驱动和控制车辆具有可以灵活调整的整车结构、高效的传动水平和 良好的动力学控制性能等优秀特性四轮独立驱动和控制方面的研究和探索已经成为 了行走机械领域研究的热点问题，目前现有的相关控制研宄主要有以下三种方法： ( 1 ) 驱动力的优化分配法 从现在来看，在独立驱动车辆上使用比较常见的关于优化分配驱动力的策略主要 从增加车轮附着力的方面考虑的。车轮的附着力是指受地面垂直反作用力与路面附着 系数的乘积，而附着系数和车辆的行驶速度以及车轮对道路表面的滑动水平有关车 也裎中地面对驱动车轮的推力、准备停止行驶时道路表面对车辆的地面制动力 辑转弯时车辆能够按照既定的行驶路径实现转弯要求的地面侧向反作用力都是依靠附 着力供给的。这种方式在经济性能的考虑上是不够全面和周到的，存在很多缺点和 不足，这是目前的驱动力分配策略存在的一个较夫的问题另一个问蹶就是控制的逻 辑非常简单虽然能够保证很好的逻辑性，但是在解决比较复杂的问题时不能提供快 速有效的解决方案，对控制性能也有很大的影响。 在四轮车辆可以实现独立驱动的前提下，驱动力优化分配法的应用成为了可能。 这种方法的应用不仅能达到使车辆经济性能良好的需求，还能够对不能正常工作的驱 斌电机进行驱动力的重新分配( 主要采用在调整转矩时进行限制约束的方法) ，使不 能正常工作的驱动电机重新恢复到工作状态中，保持车辆的正常运行，提高了车辆应 对复杂路面和障碍状况的能力，对车辆行驶过程中的稳定性和安全性起到了保证作用。 ( 2 ) 转矩协调分配法 在过去车辆进行转弯状态时，需要改变方向盘的转向角度来调整车辆方向的，每 个车轮获得的驱动转矩都是等值的转矩| 升调分配策略则是通过产生控制横摆力矩来 实现的 j 。在独立驱动的四轮车辆中，转矩协调分配簧略是通过对内外恻车轮的转矩 调整来实现的具体操作是：使内侧车轮的转矩变小，同时使外侧车轮的转矩变大。 在同等的外部条件f ，转矩协调分配法具有的优势如f ：找出最合理的分配比例，使 转弯时力的数值达到最大：使车辆具有良好的转弯协调和控制能力提高了操作的灵 活性。 ( 3 ) 电子差速法 在| 三【前没有差速器的年代，左右两边的两个车轮是以同等的的角速度运动的。车 辆转弯时车轮的轨线是圆弧，假设车辆向左转弯，圆弧的中心点就处在左侧位置，在 相同的时间里，右侧轮子走的弧线比左恻轮子长，为了平衡这个差异，就要使左边轮 子慢一点，右边轮子快一点，用不同的转速来弥补两个轮子行走距离上的差异这样 造成的后果是右侧轮子滑拖( 即车轮单位时间转动距离大于车辆走行距离) 和左删轮 子滑转( 即车轮单位时间转动距离小于车辆走行距离) 。当车辆处于直线路径行驶状 态时，如果道路不够平整或者牟辆的轮胎滚动半径不相同( 主要由轮胎制造过程出现 的偏差、行驶过程中受到的磨损程度不一样、轮胎本身承受的载荷不均匀导致的) 造 成的车轮滑动口l 。车轮滑动会造成很多危害：加快轮胎的磨损速度：增加车辆消耗的 功率：浪费支撑行驶所用的燃油；使车辆转弯遇到问题；对制动的灵活性和安全性造 成影响。为使车轮尽可能不发生滑动，在车辆上开始安装差速器。直行时差速器的状 态如图12 所示： 图12 车辆直行时差进器的状痞 之前车辆应用的一直是机械差速器但由于机械差速器存在着很多的缺点和不足， 极其简易的结构难以适应控制系统高速发展的需求在复杂的路面情况和行驶障碍面 1 i 0 缺乏应对能力，跟不上车辆控制发展的时代步伐。而随之发展起来的电子差速器不 仅能够保证车辆在转弯的状态下内外两侧车轮可以有不一样的转动速度，并且还能够 使车辆在控制上达到更精确的散果。 从现阶段来看随着电子差速器的广泛使用，电子差速法己经被应用在四轮独吐 驱动电动车上，它的驱动装置是轮毂电动机( 主要作用是对电动机转速的协调调整) ， 在车辆资源利用率的增强方面起到了重要作用，提高了车辆的稳定性和安全性。电子 差速系统采用的是单片机和复杂可编程逻辑器件一般有两种方法( 对转矩或者转速 的控制) 通过对比发现，对转速控制的方法可以使控制策略变得更简单易行，并且 还能够保证车辆整体的高水平运行，所以在控制匕基本t 都采用对转速控制的方法p 】。 应用电子差速法的控制流程如图l3 所示： 幽l3 电于董速法的控制流程 2 四轮独立驱动和控制方面面临的问题 从上而提到的三个控制方法来看凹轮独立驱动和控制技术没有真正意义上在实 际的驱动和控制系统中得到最优的应用，主要有下面几个原凶： ( 1 ) 从现有的理论和实践来看，并没有一个非常成熟的理论基础来支撑它的发展 一般的理论研究和分析都只是停留在表面层次，没有进行到深刻研究和细致分析的阶 段，而且这蜂相关的理论没有达成一种相对意义上的统一，在理论的表达上也非常模 糊，这都使在四轮独立驱动和控制车辆最佳操纵性能指标的定论匕存在着许多争议： ( 2 ) 由于上面提到的原因，也间接导致了在控制和实践方法e 的很多问题。主要 是为了追求控制簧略的多样性和变化性而没有把它的实用性放在第一位同时在些 相关控制规则的拟定上，多是凭着个人的经验和自己的看法来定的并不是建立在成 熟的理论研究和充分的实践基础上，所以在对其本质特征的表达上存在很多欠缺和不 足在真实性的把握i z 也同样存在问题，所咀不容易得到认可和肯定： ( 3 ) 在四轮独立驱动和独立控制的模型建豇方面也存在着许多问题。在模型的建 立方而为了考虑全而往往以建立很复杂的模型为目标，但是在真正的试验过程中， 复杂的模型有时候会对试验造成不利的影响甚至使试验难以进行下去。所以模型有时 候是需要经过简化的。简化的过程也是根据个人的需要进行人为疗调节与实际的参 数必然会存在一定的误差，尽管这些误差可能并不是很大，但是在整体分析卜却可能 会出现很大的问题，使整体的精确性难以得到保证。同时那些很复杂的模型建立和分 析的过程也会同样的不简单，这样不仅会影响整体的效率还会增加制作成本1 1 0 1 1 “。 ! 模块化电动轮方面的发展 车辆方面模块化的提出和应用起源于欧洲国家，最开始的目的是为了缩减产品成 奉，但是随着科技的发展和时代的进步，企业开始考虑真正意义上的模块化产品的研 究和开发i ”i ，还由于模块化具有的一系列优点模块化产品的设计和开发渐渐朝着成 为机械产品研究热点的趋势发展着，已经开始了对车辆零部件等方面的模块化研究和 开发。 从现在来看，关于车辆模块化设计方面的研宄和开发主要还是针对产品结构的模 块化：模块化设计的符合标准是具有多零部件组合，可以实现各部件功能的独立可分。 在模块化的设计和开发中，毗功能独立作为基础，是为了减小在各部件之间功能七的依 存和联系这样就提高了设计和开发的效率。 表卜1 是在车辆零部件设计时，对传统| 殳计和模块化设计的对比分析： 表i 】传缆设计和模块化设计的对比舒析 名称开发结构l 特点 传统设计 多对多互相关联，互相影响，操作复彖，浪费时间，教率低 模块化设计l 一对一互不关联，独立性好，操作简电节省时间，效率高 3 无刹车制动方面的发展 车辆制动系统在车辆安全性方面起着非常重要的作用，随着车辆控制技术的进步 和车辆行驶速度的增加，制动受到人们的关注的程度越来越高。车辆的制动系统有繁 多的类别和样式，传统的制动系统结构主要有机械式、气动式、液压式、气液混合 式这几种类型，它们具有相似的工作原理：利用制动装置在制动状态下出现的摩擦热 量来对车辆的动能进行大量的消耗，以实现减速和停车的目的。比较常见的驻车制动 器有鼓式，盘式和带式几种，驻车制动器的作用： ( 1 ) 使车辆正常安全的停放，不产生非正常滑动： ( 2 ) 在危急关头同脚制动一起协调控制以达到紧急制动的目的： ( 3 ) 为车辆在坡道起步提供方便。 驻车制动结构和行车制动结构是不一样的它们具有彼此独立的操纵结构，比较 常用的是手操纵结构和脚操纵结构。小型汽车和轻型卡车一般使用的是手操纵机构， 大型车辆则使用的是脚操纵的驻车制动踏板机构。随着可占有的停车空间的减小，停 车位的数琏也在随之减少，还有涂装保险杠的采用，以及对停车距离的精确化要求 造成了一个结果停车不容易，所以驻车制动机构方面的研究是非常重要的。 上诉传统的制动方法存在四方面的问题： ( 1 ) 由于使用刹车机构。轮系变得复杂。在可靠性和安全性上得不到保证： ( 2 ) 制动力与车轮附着力变化的协调性不好，使车辆行驶情况的不确定性增加， 剥车辆行驶的安全性提出了巨大的挑战： ( 3 ) 随着运动距离的增多和制动部分操作的不恰当性等原因，制动部分的零件结 构会受到不同程度的磨损和消耗。造成其配合关系的改变对制动系统工作能力造成 可：好的影响： ( 4 ) 现有的驻车装置在使用时要提供很好的润滑，当润滑作用不能正常工作时， 会使传动力矩增大，这时误操作很容易发生，使车辆处于很危险的状态。 采用无刹车制动技术可以部分克服e 诉弊端，能够在改善车辆的稳定性和安全性 上起到明显效果，在倒车、停车或者移位时避免与其他车辆的碰撞，可以在一定程度 e 减少维修次数实现更方便、安全和高效的减速或者停车”。 2 课题研究的目的和意义 奉课题来源于吉林省科技发展重点支撑计划项目。 全向驱动电动轮系统是以四轮全向融同驱动技术、无刹车驻车技术、独立驱动及 控制技术为核心的行走机械基础部件，具有控制灵活、适应范围广、过载能力强、系 统町靠、维护方便等特点，能够给四轮独立驱动和控制、模块化电动轮设计和无刹车 驻车等方面在应用上提供理论基础和试验数据，为这些技术未来的发展做出贡献，l 司 时对高端叉车、e 机牵引车、舰载车辆装备等高可靠行走机械的发展起到铺垫作用。 碰这个科学技术日新月异的年代，每一天都会有新方法的出现和新产品的诞生， 随着计算机系统、信号处理技术、微处理技术、专用电路芯片技术、微控制技术等方 面的不断应j ；l 和发展，采用软硬件协调控制的策略来达到全向驱动电动轮系统差别性 控制的目的和要求，对寻找发现最优的控制策略和实现复杂精确的控制算法有着重要 的意义，提高丁车辆控制系统的应变能力和安全性能。 通过对全向驱动电动轮系统研究的实施，将对我国掌握全向驱动电动轮系统核心 技术起到很重要的作用，全面提升行走机械关键技术方面的原始刨新能力。针对国内 非常规行走机械核心技术的薄弱环节，重点研发以全向驱动电动轮技术为基础的f 一 代非常规行走机械的模块化单元组件和典型系统，形成新的产业增长点，将会对提升 工业车辆的自主刨新能力、增加附加值和拓展高端市场具有重大的战略意义。 通过本次研究的实施也将对行走机械行业提供一种组态灵活的标准化产品，对行 业标准的制定起到铺垫的作用，使一套系统具有非常良好的适应性，不仅可以适应一 个产品，而是在一定范围内适应多种型号的产品，减少设计时间和重复设计提高r 产品设计的效率。 3 课题研究的主要内容 全向驱动电动轮系统是以四轮全向| 办同驱动技术、无刹车驻t 二技术、四轮独立控 制技术为核心的行走机械基础部件它以电动轮理论作为基础，不仅具有电动轮所具 有的控制灵活，维护方便等优点，同时由于引入了其他驱动和控制技术。使得它还具 箱适应范围广、过载能力强、系统可靠等优点。 总体设汁指标： 0 全向驱动电动轮的驱动功率：47 5 k w ： 转向电机功率：1 k w ； 满足一般使用要求： o 行走速度：0 1 5 k m h ； 转向范围：2 7 0 。； 载重：单轮2 0 0 0 k g ； o 最大单轮载重：3 0 0 0 k g ； 压配式实心轮胎。 毛要的研宄内容如下： ( 1 ) 对电动轮系统进行，设计。通过对车辆轮毅、悬挂和传动系统进行分析，在 满足功能要求和参数妥求的基础卜，完成了全向驱动电动轮轮毂、悬挂和传动系统的 类型选择和结构设计。 ( 2 ) 对电动轮系统进行r 模块化设计。基于对模块化电动轮系统的可行性分析， 满足模块化设计要求，实现了电动轮系统的模块化设计，设计的通用型模块化电动轮 u j 适应多种车型。 ( 3 ) 进行模型试验，实现了对样机的协同控制。以相似理论为基础设计了试验模 型在满足试验要求的基础上，对原型进行了一定程度的简化，制作丁试验样机。完 成了对硬件和软件的设计。实现丁对试验样机的协同控制。 ( 4 ) 分析现有车辆采用驻车制动系统的缺点和不足来论证无刹车制动的好处并 通过试验采用软硬件协调控制的方法实现丁样机的无刹车驻车操作。 技术路线如图14 所示： 圈i4 技术路线 一萝量 第二章全向驱动电动轮系统的设计基础 2i 四轮全向协同驱动与控制 2i1 四轮独立驱动与控制的优势分析 目前来看，前轮驱动系统一直是车辆驱动的主要方式，前轮驱动的主要操作方式： 车辆前而的两轮不仅要绕着自己的轮轴进行自转叉要相对于整个车辆进行偏转，而后 面的两轮只是进行自转【1 。在车辆实现转弯操作时，首先是前轮进行转向操作，再把 作用力传递给车身之后后轮随着转向，相当于前轮是主动实现转向而后轮是被动实 现转向。前轮驱动车辆具有的缺点和不足： ( 1 ) 起步能力和爬坡能力较差。为了实现车辆的起动功能整车的重心是向后面 移动的，这时前面两个轮子的负载就会变小，随着变小的就是前面两个轮子的驱动力， 所以造成了上诉两个能力质量的下降： ( 2 ) 转弯的灵活性变差。这是由前面轮子和后面轮予转弯时的不同步性造成的， 对车辆稳定性和操纵性也造成了一定的影响： ( 3 ) 车辆前后桥负载的分配比例不均衡。载荷在前桥分配占的比例较多，对前面 轮子造成的损伤和消耗比较大，导致前轮制动时负担的加重： ( 4 ) 对转向驱动万向节的要求变得更加严格并且制造成本也增加r 很多。 四轮独立驱动和控制车辆，是由四个独立控制电机分别驱动每个车轮在转弯时 后轮和前轮都是主动轮，容易实现对牵引力的良好控制( 牵引力指传动系统对车中各 轮施加的台力) 使车辆布置具有更多的空问在增强车辆的稳定性能、动力性能和安 全性能方面起着很大的作用1 1 7 - 1 8 1 0 四轮独立驱动和控制具有的优点： o 车辆驱动性能较好，在加速或者爬垃时都更容易控制； 车辆横摆率与横向加速度之间的差值变小精确性更高，反应能力更快： o 车辆的质量中心侧偏角变小使车辆的稳定性增强； 轮胎横向力的调节范围变大使横向力更不容易超过极限状态； 从行驶程度卜来看。整车的控制灵活性有所提高。相比传统的控制方式，在低 速状态下转弯半径会变小：在高速状态f ，移线、变道和躲避障碍变得更容易控制 和操作，误操作和危险机会减少： 每个车轮的驱动转矩可以独立调节提高了调节上的自由度。能够根据路面情况 盯每个轮子的输出转矩进行非间接调节，根据四个轮子各自的负载和产生的横拦力矩 不同向每个轮子分配命令在转矩很大时能够减少打滑的概率，还可以根据实际情况 合理分配驱动力，提高了车辆的平稳性。 2 i2 四轮角度关系分析 四轮角度关系对于四轮独立驱动和控制的研究起着很重要的作用在车辆处于行 驶状态时，只有对四轮角度关系有清楚明白的认识。甚至需要知道更直观的参数公式， 才能更好地对车轮进行驱动和控制，实现四轮的独立驱动和协同控制i l ”。一自由度模 型虽然在表现形式上比较简单，和车辆的真实情况也有一些差别但是在角度关系参 数疔渐能够达到分析要求，所以在这里选择二自由度模型进行分析。简化的的二自由 度模型如图2 1 所示： 鬟滁 止 “ 仄a & 、 。j 良步x一夕。 圈2 i 二自由度模型 运动微分方程： f 肌，( 五+ y ) ：+ f ：+ 凡+ f ：与q + t ：吼+ 也+ ql f ， 1 f “ i ，= ，r ( - + ：) 一( f + f ：) 2k l c t l l ，+ 如a ，r 一也坼f ，_ t 口j 女、k ：、也、k 。分别表示备轮的侧偏刚度 公式( 21 1 中每个轮胎的侧偏角分别为： 铲华一4：p+尘一42“一b y“ 铲兰卫一蕊；p + 卫一疋b “+ y 2 。 “ 。 铲三关一每。p - r 一哦 “，2 ：i i ；。i j 一。，。一o ， q ：! 丑一坑。卢一垃一坑“ “十b y 2 。 “ 1 ( 22 ) 徽骺鬟 他” 车辆在保持平稳状态行驶的时候，横摆角速度y 保持恒定且y = 0 ，将公式( 22 ) 、( 23 ) 代入公式( 21 ) ，经过简化，得到： 2 ( 女，+ 女，) 口+ 2 ( ，r 一i ) y k l ( d + 正) 一女，( 也+ ) = m u y “ 2 ( z ，女，一i r k ，) p + ! ( ，+ f t ，) y ，女，( 4 + 岛) + t ( 正+ 正) = 0 h 代入口= 0 得到： ( m u k ，+ 2 k ，k ，) ( 点十文) = ( m u 女，一2 k ，女，f ，上) ( 区+ 嗔) ( 2 5 ) 按照阿克曼定理( 两前轮的轮轴中心延长线和两后轮的轮轴中心延长线交于一点， 这点即是转向中心) 的要求每个轮子转向角度表示如f ： t a n + ：旦, r t a n t ：j ) l 。且_ + b m n a ：堡 凡 d 、 皿+ b 由d ：n 一，d ：旦，得到下面的公式 r a 。生 d + 占点 也。与半 c ，。， 瓯= 尝 将公式( 26 ) 代入到公式( 25 ) 中，得到： 一mu-kll r + 2 k ，k r l r l ：堡 ( 27 ) m l l l k ? l ? 2 k i k ，i i l d 、 由公式( 27 ) ，定义： 芷：tmu：kllr + 2 k j k , l r l ：掣 ( 28 ) h 衍k ? l ，一2 k f k ? | ? l甄 k 是两个后轮转角之和与前轮转角之和的比例系数，将公式( 28 ) 代入到公式( 26 ) 巾，就可以得到四轮独立驱动和控制车辆两个后轮的转向角函数： f 文= k 8 茁五 ( 29 ) 卜2 百t 而。面 四个车轮的角度关系对四轮独立驱动和控制方面的研究有很重要的意义，可以采 取更有效的方法对四轮角度进行控制和调整，使整车运动更协调、性能更好。在传统 车辆中，后面外例车轮和内侧车轮的转角被认为足几乎埠 的，在一般情况下，内侧 车轮根容易不能控制在规定的转角数值范围内影响了整车的协调性能。四轮独立驱 动和控制系统通过对角度实施控制可以使内侧车轮速度响应的时间缩短，还使控制 转向惯量的效率提高，有效减少轮胎方面的损耗使转弯时受到的阻力变小改善车辆 曲协调和控铝q 能力。 12 模块化电动轮 模块化设计是指在一定条件下在进行功能分析( 这里主要指功能不一样或者一样 或能下不样性能、不一样规格的产品) 的基础上划分并设计出一系列功能和结构 模块，使这些模块系列化和通用化。 2 2l 模块化设计的优点和方法 模块化设计具有的优点 ( 1 ) 有利于类型多样性和技术创新性的发展。以通用模块作为产品的基础，能够 取代陈旧的机械结构，使设计变化变得简单容易形成新的种类使开发的速度变快： ( 2 ) 使设计、制造的时间和成本减少。只需要更换一些相关的模块，或者对个别 和专用的模块进行开发不需要重新对产品进行设计和制造。降低了产品设计上的复 杂程度： ( 3 ) 能够保证产品具有稳定的质量和良好的可靠性。产品在被划分成为模块后， 会对每个模块进行试验和考核，井会经过细致的分析和改进，这样每个模块的质量和 可靠性就得到r 很好的保证，所以产品整体的性能会变得稳定可靠： ( 4 ) 维修方便。因为模块可以作为一个整体从产品中分离，拆卸和组装起来比较 方便，使维修过程大大简化节省维修所用的时间和精力。必要时还可以对整个模块 进行更换，不会对生产造成不必要的影响i ” 。 由于模块化设计具有上面四个优点，所以在产品设计上有很大的发展潜力和发展 空问，也被广泛采用在机械产品上。目前来看模块化设计在机械产品上的应用情况 主要有三种： 0 面向对象是整个新产品： 面向对象是需要进行变型设计的零部件： o 面向对象是需要进行改造设计的现有产品。 2 模块化设计的方法 现有的针对机械产品的模块化设计方法主要有两种： ( 侧重功能分解的设计方法 这种方式是以对顾客的需求分析开始，通过对现有市场和实际需要做细致有效的 分析找到真正需要的特征和功能：再根据这些制定规范，指导拟定模块化设计的说 明书：之后对系统进行详尽的产品分析，为产品最后实现模块化| 殳计打下坚实的理论 基础1 2 h 2 i ：在确定了各种功能需求之后对产品进行物理分解和功能分解把分解过程 中的基率元件集成到一个功能系统巾去，最后对整个方案进行评估。具体设| 十流程如 巨22 所示。 ( 2 ) 基于结构特征的没计方法 最开始做的是对形状特征和零部件参数进行分析在此基础匕建立主模型，再根 推结构需要进行相应的合理配置，达到设计要求，完成新产品的设计。具体蹬计流程 如图23 所示。 j 开始 匣幸匣1 堕亟巫堕 t 一 ! 曼堕查坌塑r 叫! 兰兰望苎苎! 旦里姿竺兰垦苎苎 t r 叫兰曼! 堂墨坌坚r 叫 产品物理域与功能域的映射 j 一 产品概念集成 j l 方案评估 l y 厂_ 氮f j 圈22 以功能舒解为主的模块化设计流程 目23咀结构特征为乇的模块化设引流程 对 面两种方法进行优缺点的对比分析，如表2 1 所示 表2 i 两种育法忱缺点对比 方法 优点缺点 以功能分解为主对市场定位把握准确合理性分析不够 系统整体性好工作目标不够清楚明确 有利于质量检验结构方面欠缺 基于结构特征对结构的分析很详细可行性分析不够 新产品开发速度快适_ e | j 范围较小 在电动轮的模块化设计中， 要采用的是基于结构特征的设计方法，并扯可行性 上也做了系统的分析。 2 22 模块化设计的可行性 符合模块化设计的标准是：具有多零部件组合可以实现各部什功能的独立可分。 在模块化的设计和开发中，以功能独立作为基础是为了减小在各部件之间功能上的依 存和联系这样就提高了设计和开发的效率。电动轮系列产品作为现代社会车辆更新换 代非常快的一种产品类别，模块化蹬计需求比较迫切，它满足模块化设计的要求适 台运用模块化设计方法。模块化设计的一般步骤如图24 所示： 确定参数范围和系列型普 l l l 。 建立功能模块和生产模块 圈24 摸块化设计的步骤 目前市场l 的电动轮一般都是由轮子和一些简单的配套装置组成的，不具备上面 提到的模块化设计的一些优点，而模块化电动轮的设计是把轮子部分，驱动部分，传 动部分悬挂部分和控制部分组合成一个通用的电动轮模块，可以根据不同的产品需 求布置成前驱动、后驱动或者全驱动的形式，适用于多种车型。这样设计之后的电动 轮具备了模块化设计的优点，提高了相关产品设计和研发的效率为标准化、系统化 设计打下基础。 电动轮的模块化设计1 ；像具体的产品设计要经过那么多复杂的步骤，所咀模块化 电动轮的设计是经过简化的。首先要确定电动轮的具体参数( 在第一章研宄内容里已 经给出) ，然后进行模块划分，建立模块完成总体装配和设计。模块划分如表2 2 所 币： 表2 2 电动轮的模块划舒 模块序号模块组成模块描述 1轮子行走作用 2 驱动部分给电动轮提供驱动力 3传动部分传动动力和减速作用 4 悬挂部分减震和支撑作用 5 控制部分控制电动轮的行驶和转向 电动轮经过模块化设计之后具有的技术优势主要有： ( 1 ) 使传动系统得到简化，提高了传动效率，有利于整车布置： ( 2 ) 使车辆的通过性得到r 增强。因为车辆离开地面的距离变大并且对地面附 着力的利用程度增强。 ( 3 ) 对相关零部件的标准降低，在传递大转矩上的优势更u j 显。 随着模块化设计方法的发展，模块化| 殳计在机械相关产品上的探索也越来越多。 为了实现更为台理的设计和提高资源利用率，有必要在适用于模块化设计的机械产品 中发展模块化设计方法。 23 无刹车制动方式 2 3l 汽车制动性能的评价指标 现有的车辆驻车都是靠着制动系统来实现的，制动系统关系着人们的生命健康和 则产安全，所以起着非常重要的作用。目前来看，由于车轮扭矩测量比较难以实现， 所咀研究上主要采用路面试验和台架试验的方式来对相关数据进行测量。当车辆执行 市_ 动操作时车辆受到的外力是与前进方向反向的所以车辆的速度才会慢慢减小，直到 械n o ( 即驻车) 为止。对这。过程受力分析是目前研究制动系统的关键，但是由于其 分析起来难度很大所以采用的分析模型是需要经过简化处理的。1 。主要研究指标如 下： ( 1 ) 制动效能：评价指标是制动距离和减速度： ( 2 ) 制动效能的恒定性：在行驶速度很高或者连续制动的时候保持制动效能的高低程 度： ( 3 ) 车辆的方向稳定性：在执行制动操作时在应对偏离既定轨道、向两侧滑动和转 弯能力很差时的反应速度和应灯能力。 表2 3 是国家标准的道路制动试验最低性能标准： 表2 3 道路制动试验最低性能标准 车辆种类 a ia 2a 3b lb 2b 3 制动初速度v ( k m ，h ) 8 06 06 06 06 06 0 制动距离s f m ) 0i v + ( v 。i5 0 )0l5 v + ( v 2 l3 0 ) 平均减速度a ( “f ) 5850 粗动力f 。( n ) 5 0 07 0 0 表2 _ 4 是国家标准的道路试验的要求 表2 4 道路试榆验标准 车辆种类初速度满载时的制 空载时制动减速度稳定性 v f k m ， 1 1 动距离s 】( m )距离s 2 ( m )a ( r n s 2 ) 满载空载 普通乘用 5 0虫0兰1 9兰591 6225 m 试验通 三= ；1 5 t 汽 3 0 ( 1 0 ( 9兰501 54 30 m 试验通 垫1 5 t 汽 5 0盟2 里i三54三58 2 5 m 试验通 车 从上面两个关于制动系统的现有标准来看。在制动方面各个相关指标有着严格的 标准，这是因为制动驻车关系着交通安全和人身安全不能忽视大意。在研究制动驻 车上同样也要有着谨慎严肃的态度，在安全基础上考虑实用性。 2 32 电动轮的制动方式分析 电动轮的主要制动方式分类 1 制动力矩直接作用在车轮上 带有行星齿轮减速器的电动轮固定部件压合在旋转部件上产生制动力矩其实 制动力矩是直接对轮子起作用的这种布置方式比较普遍，被广泛使用i 州。这种布置 方式的好处是响应时间缩短效率比较高；不足的地方是制动器需要产生很大的力矩 来满足车轮的要求造成制动器的占用空间和重量都变大，间接导致电动轮的整体重 量变大，影响车辆的制动性能。 2 制动力矩直接作用在电动机上 电动轮中的旋转部件和电动机转子直接连接在一起，不和轮辋相连，即制动力矩 直接对电动机起作用其工作过程是制动力矩产生后经过行星轮放大再传递给车轮。 这种布置方式对而积和质量的要求不高并且需要不大的制动力矩i ”i 减轻了电动轮 的整体重量：不足之处是响应时间变长传递速度比较慢，减速机构磨损和消耗的速 度加快。 电动轮式车辆由于结构原因不能采用中央制动器，只能用车轮制动器，所以可以 把驻车制动方嘶考虑到电动轮系统的整体研究中去，还会对无刹车制动方面的研究发 展起到促进作用。 2 4 模型试验 机械工程中的许多问题都是相当复杂的仅仅利用数学的方法很难达到预期目标 所以要考虑到用模型试验的方法来解决这些问题，即在研究对象真正实体实现之前， 先对模型进行研究再做成模型实物或者样机。这种设计策略对现象和过程的研宄和 分析是间接