（车辆工程专业论文）太阳能电动车底盘系统建模及仿真分析.pdf

矮七论文 y 6 2 4 6 0 0 度鞭能屯韵事蠛擞蘩缆筑建镆驶搞囊分辑 摘要 本文以茭围太阳能电动车的参赛癸求为标凇，参照汽车设计的一般原理和方 渣，l 雪太瓣貔毫动车黪转 麓撬毒奄、懋凝鬟绫、潮动袭绞i n 车耱送行了鬃褥设计鞣选 挺，应用大帮的c a d c a e c a mt 狴较 串u g 建立了太阳能电动汽车底盘的兰缝 模型。羟此基础上运用麓名的多体动力学软 牛a d a m s ，建立了太阳能电动汽车的 多俘动力学模麓，琴l 麓该模黧，邋行了懋黎系统懿逶动学仿囊、转逡凝捣运动学鞠 动力学的傍囊势对整车避行了揆缴稳定谴傍粪分耩，扶璎论上证臻了懋架系统侄运 动学上的可行牲和转向机构在运动学和动力学一l 的可行矬。另外，为了在转向时尽 蕊瀵足瑾憨转囱惩瓣渣凝，在a d a m s 较馋中对转囱穰掏遴行毒荛纯谈诗，求出了转 向视构各构件的参数在满是理想转囱角时静最优解，从丽为样机的试制工作打下了 怒好黔基础。研究结果表薅，所设计的太阳能电动车符合美国太黼能电动车的参赛 黉求，在设计上是含瑾懿器霹褥夔。 荚键递：太阳能电动苇底焱建模与仿真优化没计 倾士论史太阳能电动车底盘系统的建模及仿真分析 a b s t r a c t a c c o r din gt ot h em a t c hs t a n d a r do fa m eric a ns oiarc a ra n dt h eg e n e r ai p r in c ip i ea n dm e t h o do fa u t o m o b ii e d e s i g n t h es t e e r in ga n ds u s p e n s i o na n d br a k in g s y s t e m sh a v eb e e nd e s i 6 n e d t h e3 dm o d e i o fc h a s s iso fs o iarc a r w a sb u ii t u pb y u s i n g t h e u g ，w h i c h ist h eia r g e s e a i e c a d c a e c a m e n g in e e r in gs o f t w a r e 0 nt h eb a s e so ft h e3 dm o d e i t h em u i t i b o d yd y n a m i c s m o d e io fs o i a rc a rw a sb u ii t u pb yu s in gt h ef a m o u sa d a m s s o f t w ar e t h e k in e m a t i c sa n dd y n a m ic ss i m u ia t i o no fs u s p e n s i o ns y s t e ma n ds t e e r i n gm a c h i r e w er ec a rr i e dt h r o u g hb yu s i n gt h em u i t i b o d yd y n a m i c sm o d e it h ea n a i y s is o fs t e e r in gs t a b ii i t yo fs o i a r c arw a sc a rr i e dt h r o u g ht h er e s u i t ss h o w t h a tt h ek in e m a t ic sa n dd y n a m i o so fs u s p e n s i o ns y s t e ma n ds t e e r in gm a c h ib e ar ef e a s i b ii i t y ina d d i t i o n ，t h eo p t i m iz a t i o nd e s i g no fs t e e r in gm a c h i r e w a sc a rr i e dt h r o u g hb yu s in ga d a m s ino r d ert os a t is f yt h en e e do ft h ei d e a i t u r ni n ga n g ie ，t h eb e s ta p p r o p ria t ep ar a m e t e r so fe v e r yc o m p o n e n to ns t e e ri n g m a c h ir ew e r ew o r k e do u t ，w h i c hi a idt h eg o o df o u n d a t i o nf o rf u t ur ep r o t y p e r e s e a r c h ins h o r t t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h ed e si g no ft h es o iarc ar c h a s s isisr e a s o n a b i ea n df e a s i b i e k e yw o r d ：s o i a re n e r g y ，e | e c tr o m o t i o nv e h i c i e ，c h a s s is ，m o d e ii n ga n d s i m u ia t i o n ，o p t i m iz a t i o nd e s i g n f 1 1 i i 论亚太阳能t u 动年底盘系统的矬模及仿真分析 1 绪论 1 1 太阳能电动车研究的背景及应用价值 1 研究背景 伴随着2 1 世纪的到来，由于降低公害、安全节能及新颖化的社会要求，汽车 技术在不断引入以新材料、电子技术为基础的新技术过程中取得巨大的进步。 太阳能属于清洁能源，绿色环保，绝无污染，耿之不尽用之不竭。埘太阳能 的直接利用，代表了人类文明发展的新水平，有利于人类社会的可持续发展。凼此 太阳能电动车被人类称之为“未来汽车”。电动汽车是最近这些年来世界各大汽 车厂竞相开发的项目，因为清洁环保汽车一直是人们追求的目标。 大气污染是直接向人i 中排出有害物质，或大气巾由于化学反应产生的二次有 害物质，对生物或生态系统带来不利影响，而有害物质逐步从道路两侧局部向近处 扩散，又把光化学烟尘扩散至数百千米广阔领域的污染过程。目前的环境问题最重 要的是消除以大城市为中心的碳氧化物引起的大气污染问题。随着人类对地球升温 的担心和大气污染的日益加重，人们对太阳能的关心越来越增长。最近利用太阳能 r 乜池驱动的太刚能车正成为人们议论的话题，对其期望也很高。 2 应用价值 现在我困已经全面地使用了无铅汽油，从而解决了铅对环境的危害：从2 0 0 2 年1 月1 日起，汽车全部改用1 3 4 a 环保空调制冷剂：非石棉的摩擦材料已经开始取 代了石棉制品；严格| e f 勺汽车排放控制法规正在步+ 步贯彻落实由首都北京带头实 施的新排放限值法规，推动了全国的汽车工业纷纷向电子喷射，闭路循环燃烧系统， 增加三效催化器的方向加速发展。 众所周知，尽管近年来，我们的汽车工业有了显著的进步，但与发达国家相比， 还是相差了一大截。在环保方面同样如此，我们就始终落后，那么出路何在呢? 传 统的内燃机是汽车上最复杂，而又是我们最薄弱的环节，何况它很难做到零污染。 因此，从战略上考虑，我们应浚集中主要力量，开发电动车，只有电动车才能够彻 底实现排放的零污染。它既可以取代传统的内燃机，又可以大大简化汽车的传动系 统。而电动车的关键是蓄电池，解决了这一难点，其余的一些问题也就迎刃而解了 1 2 太阳能电动车的研究概况 瑞士，1 9 8 5 年后丌发了称为“海豹一太阳神的太阳能车”1 ，这种车已在卜、 第1 负 颁i j 论文 太阳能电动车底盘系统的建模及仿真分析 下班、购物等方面步入实用化的阶段。 日本开发的太阳能车才刚刚步入实用化阶段，丰田公司f 在向地方自治集闭出 售太阳能货车，最高时速8 j 公里，行驶距离1 6 0 公里，基本上满足了实用条件。 东京的销售者对使用太阳能车也发生了浓厚的兴趣，1 9 9 0 年推出试制的一号车。这 是一种在汽车发动机罩内装有蓄电能力为3 j 千瓦小时的蓄电池、可供两人乘坐的 轻便四轮车，时速为6 0 公里，行驶距离1 0 0 1 2 0 公里。 日本三洋电气公司研制成功的太阳能混合型汽车”1 ，即使在晚上也能照常行 驶。该车重4 0 0 公斤，设计时速3 2 至4 0 公里。太阳能汽车依靠车顶上的太阳能电 池获得驱动力。在阳光充足或停车时，可将太阳能贮存起来，供阴天以及晚上使用。 目前，车用太阳能镍镉电池的光电转换效率已经突破2 0 ，有利于太阳能汽车的实 用化。 美国g m 公司在研制太阳能汽车时，不仅采用了高能电池而且车身结构也很考 究，在铝管车身框架上蒙一层“开普拉”合成材料后，蒙上一层蜂窝状材料，然后 再蒙上一层“开普拉”合成材料，其强度很高车身很轻，但成本很高。其中， u n i v e r s i t yo fm i s s o u r i - r o l l a 设计制造出太阳能电动车s o l a rm i n e ri i i ， p r i n c i p i ac o l l e g e 设计制造出太阳能电动车r ai v 。 我国的清华大学太阳能赛车“追日号”“o 诞生于1 9 9 6 年，这是由清华大学学 生自己设计、制造的中国第一辆太阳能赛车。由清华大学设计制造，清华大学和香 港_ 人学联合组队，“追日号”太阳能车参加了1 9 9 6 年8 月2 1r 屯5 日在日本举行的 9 6 能登国际太阳能汽车拉力赛，获得了总成绩第1 3 名。 1 3 本项目研究内容及措施 本项目主要进行太阳能电动车转向系及悬挂的设计建模利仿真：制动系、轮胎 的选型。 对于太阳能电动车转向系统设计，主要考虑其对操纵稳定性的影响，太阳能电 动车的操纵稳定性不仅影响到驾驶的操纵方便程度，而且也是决定高速汽车安全行 驶的一个主要性能。汽车的稳态转向特性分为三种类型”1 ：不足转向、中性转向和 过多转向，三种不同转向特性具有如下行驶特性：在方向盘保持一固定转角占。的前 提下，缓慢加速或阻不同车速行驶时，随着车速的增加，如为不足转向特性，转向 半径r 增大，如为中性转向特性，转向半径维持不变，如为过多转向，转向半径越 来越小。操纵稳定性良好的电动车应具有不足转向特性。所以根据电动车参赛时的 转向要求分析转向半径相对于不同车速时的变化情况，从而确定电动车是否具有不 第2 页 顺1 ：论文太阳能屯动车底盘系统的建模及仿真分析 足转向。此外还要分析转向时，需要作用在转向手柄上的作用力的大小。从而确定 驾驶员操纵是否轻便。 对于悬架部分要确定前后悬架的结构形式，对悬架作运动学仿真，分析车轮上、 卜跳动时，悬架各特性参数的变化。 制动系和车轮部分丰要根据太阳能电动车参赛标准上的要求对制动系进行设 计和选型，同时对车轮进行选型。 本文的主要研究方法是运用著名的三维建模软件u g 对转向机构和悬架进行建 模、装配，通过a d a m s 软件建立底盘的约束模型，对悬架、转向机构进行运动学 和动力学仿真。对整车进行转向行驶时的操纵稳定性分析，最后对转向机构进行优 化设计。 第3 负 坝| 论义太阳能电动车底盅系统的建模及仿真分析 2 太阳能电动车转向机构和悬架系统的设 计及建模 2 1 太阳能电动车转向机构的设计及建模 对于转向系统，以美围太阳能电动车的参赛标准m 1 作为设计准则，参考现有太 阳能电动车转向系以及普通汽车的转向机构的原理和方法进行设计，转向系应符合 阿卡曼式理想转向型式h 。 2 1 1 转向机构设计的要求与内容 1 转向系的要求： ( 1 ) 保证汽车有较高的机动性，在有限的场地面积内，具有迅速和小转弯能力； ( 2 ) 汽车转弯行驶时，全部车轮应绕一个瞬时转向中心旋转，任何车轮不应有侧 滑： ( 3 ) 传给转向盘上的反冲，要尽可能小： ( 4 ) 悬架导向装置和转向传动机构共同工作时，由于运动不协调使车轮产生的 摆动应最小： ( 5 ) 操纵轻便。转向时，作用在转向手柄上的切向力，不应超过1 5 0 2 0 0 n 。 2 机构设计主要内容t ( 1 ) 运动规律设计如何根据使用要求或工艺要求制定出一个合理的运动规律， 在这些可能的运动规律中，找出一个适合客观条件的最佳方案。 ( 2 ) 机构的型式综合即用什么机构去完成所设计的运动规律。机构的种类很 多，它们可以完成多种运动，如往复运动、往复摆动、沿直线运动、沿某一指定的 曲线运动、等速转动和不等速转动等等。同样，同一种运动规律也可以用不同的基 本机构去完成。 ( 3 ) 机构的分析和综合综合出合适的机构类型后，怎样进一步确定机构中各 构件的尺寸和结构形状。可用连杆机构综合解析法求解。 2 1 2 平面连杆机构分析 1 概述 平面连杆机构是由四个或四个以上的构件通过转动或移动副连接而成的机构， 所有构件在平行平面内运动。作为传动机构和引导机构，由于加工制造简单、寿命 第4 页 里兰苎一 查堕壁皇垫! 堕垄墨竺堕堡堡丝堕塞坌堑 k ，且机构特性丰富多变，所以在工程中得到广泛的应用。 2 平面四杆机构 平面四杆机构由四个构件通过四个转动副或移动副组成。以d 表示转动副，s 表示移动副，共町以组成六种相虑的运动链b o 。分别是：d d d d 、d d d s 、d d s s 、 d s d s 、d s s s 、s s s s 。 d d d d 、d d d s 、d d s s 和d s d s 四种运动链只要指定任意构件为机架，就可 以成为自由度为l 的机构。 在工程中，四杆机构按运动能力分类可分为有闻转能力的和只有摆动运动的。 有同转能力的指机构中有一个以上的构件可相剥它的相邻构件作整周运动。只有摆 动运动的指机构中任一构件不可相对它的相邻构件作整周运动。 在太阳能电动车的转向机构中用到了d d d s 机构。在d d d s 机构中存在三个 转动副和一个一移动副，是一个广泛应用的四杆机构。其示意图如下： 图2 i i 太阳能电动车转向机构中的d d d s 机构 在图2 1 1 中设较长的构件其长度为f ，另一杆件长度为l ，偏心距尺寸为 e ，根据g r a h o f 定理可分类如下y o ： ( 1 ) 有回转能力 ( 2 ) 无回转能力 ( 3 ) 运动不确定 ，m i 。+ e 半 ，m l 。+ e = 上型娑 太阳能电动车转向机构中的d d d s 机构属于摇杆滑块机构，因为转向于柄不j 相对它的相邻构件作整周运动。所以应满足关系式 + e 生t 粤。 为了实现转向，太阳能电动车转向机构中还采用了d d s s 机构。在d d s s 机构 中存在两个移动副和两个转动副。太阳能电动车转向机构中用了其中的一种机构为 卡当机构，其示意图如图2 1 2 所示。 第5 页 瑚| 。论文太搿能电动车褒盘袭统的建搂段仿囊分辑 图212 弦当机构 卡当枫枣句中传动蕊数为蹰，l 2 上任一点躲运动孰遮为椭圆。太鞠能电动车敬转 向祝物即为稀释淆块杌构与卡当极构斡综合，放而实现转向手稿鲍摇动带动转向横 拉杆推转向节臀，使轮胎产生转向。 2 。王。3 太隰能电动车转向规构的设计及建摸 1 断开式转向机构的设计 转向轮采用独立悬架的汽车，当一个车轮上、下跳动时不影响另个车轮的跳 动，骚以转交辍稳中戆援救耔应辍疫叛玎式豹。 断开式梯形中的横拉杆断开点的位鼹，与独立悬架的结构形式有关。采用双横 臀独立悬架时，常用图解法确定( 基于三心定理) 断开点的位置。其求法如下h ： f 1 ) 在图2 1 3 的转向枫构示意图中，b 、k b 是上横增的连接点，a 、k a 是下横 辩懿连接点，s 、d 是横拉拇的两连藏点。先延长蠢线a b 与k a k b 交子q a b 点， 如闰2 1 4 所示。 圈2 1 3 转向梳椅示意圈 筘6 页 螂 i “论文 太辫糍电动车疯盘豢统嚣建楼菠仿舞分析 图2 1 4 断开点的确定 ( 2 ) 连接s 和b 点，延长髓线s b ，在直线s b 上取一点q b s ，使q b s 与q a b 存亟患 方目的距离等予点a 与点s 在囊壹方彝豹距离。 ( 3 ) 连接q b s 和k b ，并碱长直线q b s k b ，将s 点在水平方向延长与直线 q b s k b 相交于d 点，d 点即为所求的断开点。 2 。转定撬鹣模型豹建巍 转向机构建模采用u g 软件，利雳u g 黔实体建模模块，画出转向机构各零件的 三维模型，再利用u g 的装酉已模块把各零件依次装配成一个整体。 u g ( u n i g r a p h i c s ) 是一个交互式c a d 系统，c a d 实现了目前制造行池中常规的工 程技术、设计稳绘图功琵斡鑫动纯，凭落其强大豹混合式模型建立功麓，已成为 c a d c a m 行、中鼹重要的组合性软件。 u g 是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。9 0 年代 初，美嗣逯弱公司选蠲u g 馋为公司约c a d c a m c a e 主羚系统，进一步推动了u g 瓣 发麟。1 9 9 7 年u n i g r a p h i c s s o h t i o n 公司与i n t e r g r a p h i 公司签约，合并了后者的 机械c a d 产品，将微机版的s o l i d e d g e 软件统一到p a r a s o l i d 平台上。由此形成了 一个由低端到商湍、兼有u n i x 工作站版的较完善的企业级c a d c a 醚c 矩集成系统。 嗣雳u g ，霹戳实现零帮佟豹设诗与连接，完成整个系统静装酝，并且可敬分毫厅 系统内各个零件的相互关系，最后实现系统的进一步仿真。 在u g 的建模模块中，先建立转向手柄、转向连杆、转向推杆、滑块、导轨的 模型，每令零馋绦存在相应懿文静中。然瓣在u 0 豹装粼模块中，先读入转囊手糖， 群读入转向连秆1 ，按配合关系把转向连秆1 装配到转向手柄上。荐依次读入其它 各构件，按各自的装配关系煺配成一个整体，最后把转向机构的装配图保存在一个 文件中。转向机梭的装配图如图2 1 。5 所示： 第7 负 坝卜论文 太阳能电动车底盘系统的建横艘仿真分析 图2 。1 5 太阳能电动车转向机构装配图 l 一转良乎糨，2 一连抒i ，3 一连耪2 ，4 一转露蒎抒，5 一游块l ，6 一滑块2 ， 7 一导轨 转向机构包括的零部件有转向手柄、转向手柄与滑块之间的连杆1 、滑块1 、 潜块2 、渗块与滢块之闻懿连抒2 、转蠢提枵。转国梳梅中，在驾驶虽豹友表嚣测 都有转向手柄，向左转向时驾驶员向届拉左手柄，右转向手稿作为从动手稿。向有 转向时驾驶员向后拉右手柄，左转向手柄作为从动手柄。 3 转向机梅在车浆上的安装 转离撬兹兹导孰邋过滤检安装在车檠上，转两手辆通过转动铰链安装在车袈 上。在u g 中，先建立总装配图文件，在总装配图文件中先读八车架模型，然后再 读入转向机构装配模型，按相应的配合关系把整个转向机构装配到车架上，保存总 装配图文传，其耍形魏霆2 ，l 。s 疑示。 鞠2 1 6 转囱壤稳在车絮二粒装配图 l ，导轨的安装支架2 导轨3 车架 第s 负 砸 论文 a 阳能i b 动车底盘系统的建模及仿真分析 2 2 太阳能电动车悬架机构的设计及建模 2 2 1 太阳能电动车悬架设计的要求 ( 1 ) 保证汽车具有良好的行驶平顺性； ( 2 ) 具有合适的衰减振动能力： ( 3 ) 保证汽车具有良好的操纵稳定性： ( 4 ) 汽车制动或加速时要保证车身稳定，减少车身纵倾；转弯时车身侧倾角要合 适： ( 5 ) 有良好的隔声能力； ( 6 ) 结构紧凑、占用空间尺寸要小； ( 7 ) 可靠的传递车身与车轮之间的各种力和力矩，在满足零部件质量要小的矧 时，还要保证有足够的强度和寿命； ( 8 ) 由于太阳能电动车只有一个后轮且后轮为驱动轮，后悬挂采用单纵臂式后悬 挂装置； 为了满足汽车具有良好的行驶平顺性，要求由簧上质量与弹性元件组成的振动 系统的固有频率应在合适的频段，并尽可能低。前后悬架固有频率的匹配应合理， 要求前悬架固有频率略低于后悬架的固有频率，还要尽量避免悬架撞击车架。在簧 卜质量变化的情况下，车身高度变化要小。 汽车在不平路面上行驶，由于悬架的弹性作用，使汽车产生垂直振动。为了迅 速衰减这种振动和抑制车身、车轮的共振，减小车轮的振幅，悬架应装有减震器， 并使之具有合理的阻尼。 要正确的选择悬架方案和参数，在车轮上、下跳动时，使主销定位角变化不人， 车轮运动与导向机构运动要协调，避免前轮摆振，汽车转向时，应使之稍有不足转 向特性。 2 2 2 太阳能电动车悬架设计 2 2 2 1 悬架结构形式分析 1 概述 悬架由弹性元件、导向装置、减震器、缓冲块、横向稳定器等组成。它把车架 和车轮弹性的连接在一起，传递作用在车轮和车架之间的一切力和力矩，并缓和路 面传给车架的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的震动，保证汽车行驶的平顺性。 第9 负 坝l 论文太阳能电动车底盘系统的建模及仿真分析 2 悬架的分类 悬架可分为独寺悬架和非独立悬架两类一川。非独立悬架的特点是左右车轮用 一根整体轴连接，再经过悬架与车架连接。独立悬架的结构特点是左右车轮通过各 自的悬架与车架连接。非独立悬架的优点是结构简中，制造容易，维修方便，工作 可靠。缺点是平顺性较差；簧下质量大；在不平路面上行驶时，左右车轮相互影响， 并使车轴和车身倾斜。独立悬架的优点是：簧下质量小；悬架占用的空间小：弹性 元件只承受垂直力，所以可以用刚度小的弹簧，使车身振动频率降低。改善了汽车 行驶平顺性：左、右车轮各自独立运动互不影响，可以减少车身的倾斜和振动。 3 独立悬架的形式和特性 独立悬架分为双横臂式、单横臂式、双纵臂式、单纵臂式、麦弗逊式和扭转梁 随动臂式等几种。 由于所设计的电动车具有前面两个转向轮后面一个驱动轮的特点，太阳能电动 车前悬架采用双横臂式独立悬架，其示意图如图2 2 1 所示，后悬架采用单纵臂式 悬架。 图221 双横臂式前悬架装置示意图 其特性如下：侧倾中心高度比较低；车轮相对车身变化时，车轮外倾角与主销 内倾角均有变化；轮距变化小，轮胎磨损速度慢。悬架侧倾角刚度小，需用横向稳 定器；横向刚度大；占用较多的空间；结构复杂，前悬架用的较多。 4 上、下横臂在横向平面内的倾角及其倾斜方向的确定 设计时，上、下横臂在横向平面内的布置方案可以是与水平线互相平行的，也 可以是与水平线成一倾角，而且倾斜方向也可以有不同的选择。太阳能电动车采用 的上、下横臂在横向平面内的布置方案如图2 2 2 所示。上、下横臂在横向平面 内的不同布置方案与选择车身的侧倾中心的位置有关。 硼l 隆文人阳能屯动年底盘系统的建横放仿真分析 v d v g 图2 。2 + 2 上、下横甓在横向平蠢内鲍毒置方案 2 2 2 2 悬架主要性能参数的确定 1 。饕纛惹梁魂揍凌囊簿撬凌鹑：选择 汽车前、后悬架与其簧载质量缎成的振动系统的固有频率，是影响汽车行驶平 顺性的主要参数之一。现代汽车的成鬣分配系数e = p 2 a b = o 8 1 2 ，可近似的认 为e = l 。这谨，蓠、后辜f 曩上方车身蹲点皎振动不存在联系。我时兹、后部分车身的 振动频率可表示为翻： 。：上阻， 2 玎v 。，：上怛 2 2 硝、f m 2 悬黎静静抗度与簧虢质量和悬絮酌剐凄关系为： 五，。= m l g c 。，正：= r r t z g c 2 ，代入上式可得 摊、zs q ；n ， h 1 5 0 f n ( 2 。1 ) ( 2 2 ) 式中唾，搿2 一蘸、后悬絮瓣振动频率，荦位为h 。 正。，工：一前、后悬架在簧载质量m ，m ：作用+ f 的静扰度，单位为c m ： g ，g 一前、后悬架的刚度。 壶此可见，车身扳动戆频率直接与悬架缛静执度有关。在懋架设计中，先根据 行驶平颓性确定隅，糨的值，然螽獭式( 2 1 ) 及式( 2 2 ) 确定前、后静挠艘丘；和 ：。 悬架的静扰度工和弹性元件的静拢度厶可能是一样的，也可能是不1 样的e 在螽一耱潦况下，先按已选定豹慧絮系统豹振动频率筐，求岛懋絮静挠瘦z ，然后 坝l 论文 太阳能电动车底盘系统的建模及仿真分析 根据导向机构形式决定的j l 何关系，由，h 推导出弹簧的静扰度，如在双横臀独 立悬架中，f 和f 。的比值就近似等于一f 横臂球销中心至下横臂摆轴的距离与螺旋 潜簧中心至下横臂摆辅的距离之眈。 为了防止在不平路面上行驶时经常冲击缓冲块，悬架还必须具备足够的动扰度 力。悬架动撬度是攒蠹潢载位鬟开始，压绩裂结梅龛诲鲍最大变形( 嚣指缓冲块压 到其自由高度的1 2 域2 3 ) 时，车轮中心相对于车架的垂直位移。 2 。前轮定位参数的变化鸟导向机构尺寸的选择 前轮定位参数随车轮上、下霹动鳃变纯特性鬻指扶满载位置到车轮黟动4 0 r a m 的范围而苦。车轮跳动时，外倾角的变化包括两个部分：既由车身侧倾产生的车轮 辨 委交 乞窝舞车轮韬对于车身熬雾珐蠢弓| 起熬努 纛变亿。在双穰譬式独立悬絮中， 前一种变化使车轮向车身侧倾方向倾斜，即外倾角增大，结果使轮胎侧偏刚度变小， 爨露使整车不是转向效果趣大。 后一种车轮相对于车身的外倾角变化情况取决于悬架上、下臂运动的几何关 系。在双横甓结构中，往往是夕 倾角随嚣簧压缩行摆的增大蕊减少，这穗变化与车 身侧倾引起的外倾角交化相反，会产生过度转向趋姆。所以应尽量减少车轮相对于 车身跳动时的外倾角变化。希攥在所定的车轮跳动范围内，其变化量在l 以内。 考虑到上述困素，因此设计悬架结构参数时：转向节上、下球销中心距不变， 等于0 6f 臂长，而上臂长在0 6 1 0 下臂长范围内变动。球销中心距在0 6 1 0 ( 采焉了0 9 0 ) 下髯长范窭内交动。而上臀长不变等于0 。6 下黉长。遗当选嚣上下 臀长比例是有可能达到上述外倾角变化不大于规定值的要求的。例如美国克莱斯勒 秘逶霹l 汽车公司分爨谈为，上下饕长甓敬0 ，7 帮0 6 6 为最佳。鬏据我豳轿车澄诗 经验，在初选尺寸时，这一比憾取o 6 5 为宜。 2 2 2 3 减震器主蚕参数及尺寸的选择 l 。攮震器鹣采焉 太阳能电动车的减震器采用摩托车上的减震器，其规格如表2 2 1 所示 第1 2 负 硕土论叟太阳能电动车底盘系统的建檬及镑巍分析 表2 2 1 太羯藏魄动车减蕊器援格 一 轮轴中心距、 车凡轴直径黧鳖 艘撼型 逶翊车型：一c e n t r e ： 丁车釜 m o t o r c y c l e ， d i s t a n c eo f d i a o fa x l e w e i g h t b t r o k e a x l eh o l e m o d e l j t y p e ： h o i ef m m )( k g ) ( 拜l i i i ) i 本罔1 2 5 m s 2 5 2 0 ： 。2 0 2 4 6 。2谚。“1 。 1 7 7 乐 2 臌尼系数的确定 当减震器安装在悬粲中与垂蠢线磷一夹角时，刘此时的阻尼系数蚕胃自下式表 圈2 ，2 + 3 减震器安装位鬻图 一 2 m 黼蕊 o = t c o s “ 式中f 一桎稽魄，i = r l a l a 一减震器安装角。 3 豢大露蕊力耱确定 为减少传到车身上的冲击力，当减震器活塞震动速度达到定值时，减震嚣雠 打拜鞠饕瓣。i 茏时懿活塞速发称为翻耱遮凄咒，它蠲下式表示； 籀 3 甄 礤l 。沧文太鼯耗电动车底霰系统靛建模麓访囊势柝 矿= a 竺翌： 1 f a 一车襄投耩，褒2 5 r a m ； 矿一卸荷邋艘，一般为0 1 j o 3 m s ： 国一悬架嘲有震动频骂墨。 如已翔 枣张孳亍程时戆阻照蓉数民，烈致夫鞠萄力磊一瓯k 。 2 2 3 太阳能电动车悬挂模型的建立 2 。2 。3 。l 太隧能毫动事旃惹挂模羹憋建立 太阳能电动车前悬挂为暇横臂式结构，在u g 的建模模块中，按照初设尺寸对 上攮譬建摸，劳保存在握瘦弱文馋中。图2 + 2 。4 、2 2 ，5 分麓为下攘爨德稷圜秘主视 图。 r _ “1 割 燃2 2 、4 下横甓穗 ! 鼙圈 圈2 j 2 5 下横甓主视图 第1 4 页 一y 一 顿 论文 太阅赞也劫车城巍系统的建横艘仿彝分折 完艘下横臂鲢建援聪，霉对上骥磷建模，著绦存零辞文箨，其德辛鬟踅如餐2 。2 6 所示。完藏- 二、f 漠鹫熬建模菇，熬岳建立主警模瑟，并臻存穰鼙文译。 效次建立减震弹簧、活塞、作用瓤麓鹣模型，势绦存在胡应瀚：史 孛中。逮盎溅 震器的装醚图，依次读入减震弹簧、潢堪、作用缸瓣的模型，完成整个减震器的装 潍。在总装瓢鹫孛蔽次读入上横甓、下横鼙、主销的横黧文佟，群浚入减震嚣瓣装 配模趟，完成前悬架的装配，冀装配阏如图2 2 + 7 所示。 凰2 2 6 上横甓赡视瀚 鹫2 , 2 7 太鬻麓德稳车蕊基援装嚣装鬣圈 硕士论文 太阳能电动车底盘装统的建搂我惦窝分析 奁圈2 + 2 ，7 巾，翦悬接与辜絮之曜逶过铰链连接，上、下横嚣在横囱乎鬻蠢平 行布置。 2 2 。3 2 太阳能电动率盾悬挂模型的建立 太阳畿电动车的后悬絮菜删肇纵臀式独立悬絮，其特点是结拘简单。当车轮跳 动时英主镑蓐梭筠交讫大。肇缀辩式独立懋粲静结梭示意蓬如图2 2 8 所示。霜懋 架采用的减震器为螺旋弹簧减震器。 图2 2 8 擎级臀式后憋架结拘示意图 确定后懋架的类型后，然质对其进行建模，后悬架左视图如图2 2 1 0 所示。其 德褫澍翔圈2 2 。9 掰示。 “”tt 錾 l 鲻2 2 9 螽懋絮謦蘸褫图 城t 论文 太带能电功车戚盘系统抟建模敷傍囊分析 f 一 譬 p “一ie 乡卜【 0 纠 圈2 2 1 0 詹爨絮左视疆 按照后懋架的工程圈，建立后懋綮的兰维模型，并傈存在捆应的文件中，褥建 立减震弹蛰、作用缸筒、阻尼活塞的模型，并建立后减震器的装配圈，完成餍减震 嚣的装聪，保窍装配文传。打开总装酝鬻，憨后慧絮、减震嚣羧辩合关系装醚刘车 絮上，保存总装配图。其图形如图2 2 1 l 所示。 整2 2 1 l 太鼯能电翡车瑶悬挂装熏装配躅 颧 论文 太| ；瑟麓电动率藤魏系统静建攥发仿囊分惦 3 。太阳熊电动车制动系的设计和车轮的选型 3 1 太阳能电动车制动系 3 。1 。1 制动器懿逸撵 据美国太阳能电动车陡餐2 0 0 3 年标准陌l ，太阳能电动车必须有一个平衡的， 穗互作用的双亲动系统，以键于一个制动蔗统失灵，太阳能汽车仍可以制动停车， 这褥令系缝必须独立搽圣筝，可苏裁瑟鑫一个系统，麓动滚压系统必须簧鸯独立鹃枣 液撬缸，爵叠三割动可隧不必考虑。涮动时太阳栽汽车可以存水平瀚瀵毪卜l 噩怒过每 秒1 7 千米时的减速度在超过5 0 千米时的速度时可以差复停车，制动时太刚能电 动车不磴逶多两左、爨褰转淘。 车赣毒l 动系 睾为汽享静霞癸夔液蘩分，是漂蠢薹汽车安全露鼗懿必要系绞。一般 来说，任何一个汽车制动系都由供能装鼹、控制装鬣、传能装鼹和制动器组成。葵 中剁动嚣怒缳诞汽车安全行骥的最羹要鹣安全件。嚣蘸广泛使髑鲍制凌器是麟撼式 铡动器，瓣鼓式锑凄嚣霸纛式铡动器。 1 鼓式毹麓器与盘式籁渤罄的黠陡鸟进撵 i ) 制动熊力的热稳定性 鼓式灏动器在多次连续镧动盖，露j 魂鼗镁浚笈热，麓动力缀浃衰减彗至霹麓失 毂，蠢盈麓动嚣包在耱毂蠢，产生浆热羹不易鼓舞，瓣就餐动麓力貔熬稳定犍麓。 盘式制动器的制动盘豢褥在外，散热性好，因此制动时不会出现热袋退。 2 ) 制动麓力酌承稳定。凌 萎式铡动嚣一笪拳逐入簸不容器蠢来，邋_ l 蘧：承恢复毪不磐，藏式潮动器暴露在 外黼，不翳发生水衰退，水恢复性好。 3 ) 耐磨性 蓉式潮动嚣浆蓬擦靖蘸浚大、辩薅，不豸癸损鄂蠢落。登式裁动器翁裁渤蠡参 藤铜裁 孛，容翁蘑损。 4 ) 制动时热膨胀的影响 鼓式捌动嚣裁动发热艨骖驻，潮麓闻辍会弱鼹增蕊嚣善羧铡动溺蹩行程避夫 纛式裁裁嚣漤j 攀凄方蠢热膨羰量摄枣，强惫热澎鞭薰大毽是不影稳裁韵。 5 ) 制动力矩的大小。 盘式制裁嚣制动力矩大，即在输出制动力矩栩同的情况下，其尺寸和质爨一黢 较簸式剿动器小。 第1 8 页 硕上论叟 太阳能电动车底盘系统的建模及仿真分析 基于上述分析和对比，太阳能电动车采用液压盘式制动器。 2 盘式制动器工作原理与结构特点 与固定在制动鼓内部带摩擦衬片的制动蹄在促动装置作用下压向制动鼓产生 摩擦力而达到制动效果不同，盘式制动器是由横跨制动盘两侧的制动蹄块在促动装 置作用下压向制动盘产生摩擦力而达到制动效果。按照摩擦副中固定元件的结构， 盘式制动器可分为钳盘式制动器和全盘式制动器两大类。在钳盘式制动器中，又可 分为定钳盘式制动器、浮钳盘式制动器等”“。 定钳盘式制动器的制动钳固定不动，制动盘与车轮相联并在制动钳体开槽中旋 转。在制动钳体槽形部分两侧的孔内装有与普通鼓式制动器相类似的活塞。当踩下 制动踏板时，液压迫使活塞和制动块压向制动盘两侧表面。由于制动块夹紧产生摩 擦和热，使车辆减速停车。定钳盘式制动器由于有下列优点：( 1 ) 除活塞和制动块外 无其它滑动件，易于保证制动钳的刚度；( 2 ) 结构及制造与一般鼓式制动器相差不多， 容易实现从鼓式制动器到盘式制动器的改革；( 3 ) 能很好地适应多回路制动系的要 求。 由于考虑到结构简单、零件少、易于维修等因素，在多数轿车上开始用单活塞 的浮钳盘式制动器替代定钳盘式制动器。浮钳盘式制动器的基本作原理是使液压产 生在活塞底部与缸筒底部之间。作用在活塞底部的压力使内侧蹄块压靠在制动盘内 侧表面以后，作用于缸筒底部的压力使制动钳体在安装螺栓或套上向汽车中心线方 向滑动，从而使得外蹄块总成靠在制动盘的外表面上。在液压的进一步作用下，衬 块的夹紧作用使制动盘降低转速直至停转，从而使汽车减速或停车。 全盘式制动器的全量式调动器中，摩擦副的旋转元件及固定元件均为圆形量， 调动时各量摩擦表面全部接触，其作用原理与摩擦式离合器相同。 3 设计太阳能电动车制动器应满足以下要求 1 ) 足够的制动能力。行车制动能力，用一定制动初速度下的制动减速度和制动 距离两项指标评定； 2 ) 工作可靠，行车制动至少有两套独立的驱动制动器的管路： 3 ) 用任何速度制动，汽车都不应丧失操纵性和方向稳定性： 4 ) 前轮采用液压盘式制动，后轮采用电制动； 5 ) 制动时制动系产生的噪声尽可能小，同时力求减少散发出对人体有害的石棉 纤维等物质； 6 ) 操纵轻便，并具有良好的随动性； 7 ) 作用滞后性应尽可能短。作用滞后性是指制动反应时间，以制动踏板丌始动 作至达到给定的制动效能所需的时间来评价； 第】9 负 f l ! i ! 十论文太阳能电动年底盘系统的建横放仿真分析 8 ) 摩擦衬片应具有足够的使用寿命： 9 ) 不考虑再生裁动手轻驻车割动。 根据太阳能电动车制动系统的要求，考虑到浮钳盘式制动器结构简单、零件少、 易于维修的特点。所以太阳能电动车采用浮钳盘式制动器。 3 。1 2 铡动器酶参数及分析 盘式制劝器的主要参数 l ，铡动袭壹径d 制动擞直径应尽可毹取大些，这时制动泰的有效半径得到增大，可以降低制动 钳的央紧力，从而减少衬块的单位压力和工作温度。受轮辋直径的限制，制动盘的 直径通常选择为轮辋真径的7 0 9 0 。 2 鼷动鑫淳凄h 制动擞厚度h 对制动盘质量和工作的温升有影响。为使质量小些，制动盘厚度 不宜取得很大；为了降低温度，制动盘厚度又不宜取得过小。制动盘可以做成实心 拣，或者为了教燕逶风| l 冬霰要在割动焱中闯铸爨遴风孑l 遂。一般实心铡动豢矮度可 取1 0 2 0 r a m ，通风式制动盘厚度取为2 0 5 0 m m ，较多采用2 0 3 0 m m 。 3 摩擦衬块外半径尺，与内半径足 摩擦树块外半径r ，与内半径是的比值不大予1 5 ，若此比馕偏大，工作时树块 静井缘与内髑圜蠲速度确羞较多，灏损不均匀，接继面积减少，最终导致翻麓力矩 变化大。 4 制动衬块面积a 对予爨式割动器聋雪块工俸瑟裁a ，鬏摇割凌_ 毒雩块擎谴嚣凝占煮懿汽车溪量在 1 6 3 5 夥，范围内选用。 3 。1 3 制动驱动机构懿形式及嚣算 太阳能电动车靠驾驶员施加的踏板力作为制动力源，属于人力制动。其制动主 要靠液压传力。因为液雁制动作用滞后时间较短；工作压力高，因而轮缸尺寸小， 疆缓兹率巍。 1 分路系统 为了提高制动工作的可靠性，应采用分路系统，即全车的所有行车制动器的液 压或气压蛰路分为两个或更多的互镯独立的回路，一个霞路失效蜃可利用其它网路 制动系统。 第2 0 页 颅t 论文 a 阳能屯动市庶盘系统的建横艘仿真分析 圈3 1 1 分路系统 稻圈3 1 1 搿示有两个液压隧路两两弼嚣轮铡渤器的轮缸攥压力涵。在一条回 路失效时，有另一条刨路提供压力油维持车轮的制动，以提商制动安全性。 2 液压制动驱动机构的设计计算 l ，裁动轮缸壹径黪礁定 液压擞式制动器制动活塞作用在制动盘摩擦片上的压力只与制动轮缸直径d 、 制动管路压力p 的关系为矗= 4 哆么， 制动管路压力一般不超过l 。1 2 m p 。 2 制动主缸直径d 。的确定。 制动烹缸应有的工作窑积3 1 为： v = 要宝d ? 最 1f = d ，为第i 个轮缸活塞的直径；蘸为第i 个轮缸活塞在完全制动时的行程。由于 太阳能电动车每侧前轮有两个制动钳，所以两侧共有4 个制动轮缸。 设司。时制动主缸黪二l ： 蕈容积取魏：以= 1 1 y 铆动轰缸活塞行程s o 和活塞直衽盛用下式确定：= ；爵& 坤 品取为( o 8 1 2 ) d o e 3 制动踏板力耳计算公式为：5 三2 p 毒寺 i 。为踏扳机构传动比；t 为踏扳机构及液压主缸的机械效率，取雄为o 8 2 。制 动踏板力袋大为5 0 0 n ，设计露，鼷翻鼯板力哥奁2 0 0 3 5 0 n 范溺内选取。 4 制动踏板工作行程s 。的计算 s ，= i p ( 氐+ 瓯，+ 民：) i 。踏板传动比，s 。为主缸活塞行程，氏。为主缸中推杆 与活塞静耀骧，取磊，为l 。5 2 m m ；瓯，为主赶滔爨毒亍程。对予太强姥电动车嚣言， 踏板行程最大不大于1 0 0 1 5 0 r a m 。 硕j 论文太m 能电动车底盘系统的建模及仿真分析 3 1 4 盘式制动器的建模及安装 在u g 建模模块中，建立制动盘、制动钳、支架的零件模型，保存在相应的零 件图文件中。在总装配图中，按配合关系，把支架装在主销上，把制动盘装在轮辋 卜，最后把制动钳装在支架上。其装配关系图如图3 1 2 所示。 图3 1 2 盘式制动器在悬架上的装配图 1 制动盘2 制动钳3 主销4 螺栓和螺母5 ，支架6 螺栓和螺母 支架5 通过螺栓螺母4 固定在主销上，制动钳通过螺栓螺母6 固定在支架f = 制动盘通过螺栓固定在轮辋上。 3 2 太阳能电动车车轮的选取 车轮对汽车行驶的安全性至关重要，对汽车的操纵稳定性、行驶平顺性和通过 性以及乘坐舒适性等都有很大影响。因此各类汽车对车轮的性能和结构都有严格的 要求。要使静止的汽车开始行驶以及在行驶中保持一定的速度，就必须对汽车施加 一个与行驶方向相同的推动力，以克服汽车行驶时所遇到的阻力，这个推动汽车行 驶的力称为驱动力。驱动力的产生与车轮密切相关，发动机的扭矩经传动系传到驱 动轮上，作用一个力矩，力图使驱动轮转动，在其作用下，驱动轮的轮胎边缘对路 面作用一个圆周力，该力位于轮胎与路面的接触面内其方向与汽车行驶方向相反， 由于轮胎与路面之间的附着作用路面同时对车轮施加一个数值相等、方向相反的作 用力，这个作用力就是推动汽车行驶的驱动力。驱动力从轮胎下边缘传到了车轮轴， 力图推动车轮轴向前移动。当驱动力增大到足以克服汽车在静止时所受到的阻力 时，驱动轮轴即开始前移，驱动车轮开始沿路面滚动，同时通过行驶系推动从动车 轮滚动，从而使汽车起步行驶。 1 轮辋和轮辐 第2 2 贞 钡”l 论文 太阳能电动车底盘系统的建模驶傍真分析 太阳能电动车采用压铸熬体式轮辋，这种轮辋是采用铝合金材料用压铸的方法 褥轮辅、轮辐、轮毂铸成一体，蒋遂行税女k 工两残，遮耱轮辍裁遗精度麓、强爱好， 小颁往何调熬，璇计割造酃比较方便，制造成本低。 2 轮鞍 象毂采用镪会垒乐铸蕊威，出于太嬲能魄动车翦轮袋用钳盘式制动器，制动爨 和轮辐用螺钉固定在轮毂外缘的两侧，左侧的轴承小于右锏的轴承，这是因为两侧 在铜渤时酶受力袄况不同。盾轮是驱动轮，轮毂肉包含了一个电孝筵。魄梳酶转予与 后轮毂崮缩在起，由电机转予驱动后轮转幼。后车轮形状如图3 2 1 所示。 黼3 2 i 太阳能毫渤车后车轮 3 辐条 辐条是轮辅与轮毂的连接件，承受媳谣对车轮的冲击力及整车酌熊力。太阳能 电动车采矮饕逮辍条，莲l 予它露l 遥麓攀。 4 轮胎 轮骆螫籁蒺弯造宣貔弹穗鞠承受载棼豹缝力。裰此太耀畿宅渤车采_ 鬻子午线轮 胎，囊于这秘轮黔帘匆层零线的排列方囱与轮胎的予午龄越一致，帘线的这种撼到， 可使帘线的强度褥至0 充分的利用，子午线轮胎的帘布层层数一般比普通斜线胎可减 少4 0 5 0 。帘线在轮胎豹鼷周方向上只有靠橡胶寒联系，为能承受较大的侧向 力，子午线轮胎应有若干屡帘线与子午断弼成较大交角( 7 0 - - - 7 54 ) 的带束层。 予午线轮精与普逶舔线轮狳稽魄；蒺辩经大；| | 霹黪瞧靛荮：滚动辍力小；辩羲 性能好；缓冲性能好，承载能力大。由于太阳能电动车每个车轮的静载荷大于l o o g n ，袋夺离遣蠲骧不大予4 5 0 m m ，掰鞋采耀静轮胎蔑穆黧表3 ，2 1 骚示。 鼐2 3 负 臻。0 浍文太瓣藐电动车底蠢幕境的建模聂臻襄分辑 表3 2 ，1 太阳能电动车采用的轮胎泌号 摩托车轮骀 轮 基本参数主要尺寸 【篱 负荷 轮辋宽度代号 最人相应新胎晟人垫带 负荷气艇尺寸使埘 强数 麓力 足寸 气 标 加标允许使用标加标加断外 断 外宽中 花i “】 强准准强准强面 直 面直度部 纹嘴