（车辆工程专业论文）双横臂悬架—电动轮模块化结构设计研究.pdf

申请同济人学硕十学位论文 摘要 模块化结构对于减少四轮驱动电动汽车关键零部件的种类，简化整车结构， 降低其批量化制造成本具有重要意义。 本文结合国家科技部8 6 3 电动汽车重大专项“燃料电池轿车”项目子课题 “四轮驱动关键技术研究”，提出了一种双横臂悬架一扭杆弹簧一电动轮模块化结 构原型，并在a d a m s 环境下建立了全参数化的双横臂悬架一扭杆弹簧一电动轮结构 虚拟样机模型，给出了对其悬架导向机构和转向机构进行优化设计的实用方法。 进而，在导出双横臂悬架系统刚度与阻尼随车轮跳动而变化的非线性关系的基础 上，提出了设计双横臂悬架扭杆弹簧和阻尼参数的新方法，并进行了悬架刚度及 阻尼的虚拟样机试验验证。以上述研究为基础设计试制的双横臂悬架一扭杆弹簧一 电动轮结构模块已成功应用于春晖系列四轮驱动燃料电池微型汽车的样车开发。 最后，作为一种前瞻性研究，本文还提出了一种具有大转向角的线控独立转 向双横臂悬架一电动轮模块结构方案。 关键词：电动汽车，模块化，电动轮，双横臂悬架，扭杆弹簧， a d a m s ， 线控独立转向 中请同济人学硕十学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt oc u td o w nt h em a n u f a c t u r i n gc o s to ff o u ri n - w h e e l - m o t o rd r i v ee l e c t r i c v e h i c l e ，am o d u l es t r u c t u r ei sa ne f f e c t i v ew a yt or e d u c et h ei t e m so fp a r t sa n d c o m p o n e n t sa n ds i m p l i f yt h es t r u c t u r eo fc h a s s i s u n d e r “k e yt e c h n o l o g yr e s e a r c ho ff o u rw h e e l d r i v ee l e c t r i cv e h i c l e ”af u e lc e l l c a rs u b p r o j e c to fn a t i o n a l8 6 3 s p e c i a le vp r o g r a m ，am o d u l es t r u c t u r e o f i n w h e e l - m o t o ra n dd o u b l e w i s hb o n es u s p e n s i o nw i t ht o r s i o nb a ri sp r e s e n t e d i nt h e c i r c u m s t a n c eo fa d a m s ，t h ep a r a m e t e rv i r t u a lp r o t o t y p em o d e lf o ri n - w h e e l m o t o r a n dd o u b l e - w i s hb o n es u s p e n s i o nw i t ht o r s i o nb a ri se s t a b l i s h e d ；ap r a c t i c a b l em e t h o d f o ro p t i m u md e s i g n i n gt h es u s p e n s i o ng u i d ea n ds t e e r i n gm e c h a n i s mi sd e v e l o p e d a f t e rd e r i v i n gn o n l i n e a rr e l a t i o nf o ra n a l y z i n gt h er i g i d i t ya n dd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fd o u b l e w i s hb o n es u s p e n s i o nw i t ht o r s i o nb a ra l o n gw h e e lj u m p ，an e wm e t h o d c a l c u l a t i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h et o r s i o nb a ra n dt h es h o c ka b s o r b e ri s p r e s e n t e da n dv e r i f i e db yv i r t u a lt e s tt e c h n o l o g y u s i n gt h er e s u l t sa b o v e ，t h em o d u l e s t r u c t u r eh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ed e v e l o p m e n to ft h e “s p r i n gs u n s h i n e ” s e r i e s ，w h i c hi san e wt y p eo ff o u ri n - w h e e l m o t o rd r i v ef u e lc e l lv e h i c l e f i n a l l y ，a sap e r s p e c t i v er e s e a r c h ，t h i sp a p e rp u tf o r t had o u b l e - w i s hb o n e s u s p e n s i o n a n di n - w h e e l m o t o rm o d u l es t r u c t u r ew h i c hh a sa s t e e r - b y w i r e i n d e p e n d e n c es t e e r i n gs y s t e mw i t hl a r g es t e e r i n ga n g l e k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，m o d u l e ，i n w h e e l - m o t o r , d o u b l e - w i s h b o n es u s p e n s i o n ， t o r s i o nb a rs p r i n g ，a d a m s ，s t e e r - b y w i r ei n d e p e n d e n c es t e e r i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e , 届j j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：王1 午 2 0o5 年4 月2 呵日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在丑年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月日 学位论文作者签名：互4 予 1 0 0 箩年4 月2 旱日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：互 1 币 2 0 05 年年月2 q 曰 中请同济人学硕+ 学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 随着我国经济的快速发展，我国汽车工业将面临一个快速发展的机遇，然而 传统燃油汽车发展所带来的对石油资源需求的激增和对环保的负面影响也日益 引起人们的高度重视。而电动汽车，以其高效节能、零排放、无污染、低噪声及 有利于实现能源结构的多元化等优点，已成为二十一世纪环保型汽车的研发热点 1 1 - 6 1 o 目前，电动汽车按驱动方式主要有单电机集中驱动和多电机轮毂驱动两种。 单电机驱动可以与现有的传统汽车的底盘相兼容，但是整车性能的发挥受到原有 底盘的限制。而采用二个以上电动轮的多电动轮直接驱动电动汽车，由于结构紧 凑、传动高效等特点，已成为电动汽车的一个独特的发展方向。其典型代表是四 轮驱动电动汽车。 与传统的燃油汽车和通常的单电机驱动电动汽车结构相比，四轮驱动电动汽 车具有如下所示的突出优点： 1 ) 通过电子线控技术，可省略传统汽车所需的机械传动部分( 变速器，传动 轴，差速器等) ，可利用空间大，传动效率高； 2 ) 各电动轮独立驱动的特征，使轮毂电机便于与悬架、制动、转向等底盘 零件组合成一体模块化的结构形式，进一步简化结构，减少零部件种类，降低制造 成本； 3 ) 底盘结构极为简化，从而使整车总布置和车身造型设计的自由度大大增 加。若将底架承载功能与车身功能分离，则容易实现相同底盘不同车身造型的产 品多样化和系列化，从而缩短新车型的开发周期，降低开发成本； 4 ) 借助高度发达的现代计算机控制技术，能柔性的实现在传统汽车上需要很 多元件才能实现的a b s ，a s r ，t c s 等功能，从而实现整车操纵稳定性与行驶性能的 高性能化； 5 ) 通过线控多轮转向和多电动轮驱动的协调控制，可实现车辆转向行驶的高 性能化( 4 w d 4 w s ) 等： 6 ) 容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，节约能源。 可以说，4 w d 电动汽车具有内燃机汽车及传统电动汽车难以实现的优点，是 电动汽车的理想驱动方式。是汽车与计算机控制、电机伺服驱动、线传控制及新 申请同济大学硕l 学何论文 能源应用等高新技术相结合的产物，集中反映了现代汽车技术向汽车机电信息 控制一体化发展的趋势。其研发和产品开发的过程，可以刺激和推动包括汽车 和信息产业在内的诸多相关高新技术产业的发腱。 12 国内外研究的现状分析 近年柬，同美等工业发达国家十分重视四轮驱动电动汽车的研究开发。 庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去的 卜几年中，一直以轮毂电机型电动汽车为理想的研发h 标，至今已试制了五种不 同型式的样车。其中，1 9 9 1 年与东京电力共同开发的四座电动汽车i z a ，采用了 n i c d 电池动力源和四个外转子式直流无刷轮毅电机驱动，最高时速达 1 7 6 k m h 。其4 0 k m h 时速下的续驶里程为5 4 0 k m 1 0 0 k r n h 时速下的续驶里程为 2 7 0 k m ，创下了当时的世界纪录。最近小组又最新推出了由锂离子电池和8 个大 功率交流同步轮毂电机独立驱动的八座电动大轿车k a z ，如图11 所示。它在 j o o k m h 速度下可连续行驶3 0 0 k m ：o - 4 0 0 m 的加速时间为1 4 5 秒；最高车速达 3 1 0 k m h 创下了新的世界纪录。该研究小组的主要研发特色在丁：在电动汽车 的整车设计过程中充分考虑了轮毂电机驱动方式的特点，提倡通过各个环节的 精细设计和节能挖潜来弥补目前动力电池性能不足的缺点。 脚1 1k z 1 9 9 7 年的双座微型电动汽车l u c i o l e ( 法文，莹火虫) 采用了二个由内转子 式轮毂电机和行星齿轮减速器一体化而成的电动轮驱动，并通过动力电池与铝 合金压铸车架的一体化结构和风阻系数为0 1 9 的车身外形设计及碳素纤维覆 盖件等技术的采用，使整车节能效应和加速性能明显高于过去的电动汽 车，o - 1 5 0 k m h 的加速时间为1 79 秒。 在微型电动汽车领域近年还有法国标致公司推出了名为电子娃娃e d o l l 的 中请同济人学硕十学位论文 三座微型电动汽车，它采用二个小型摩托车轮毂电机驱动；名为b o b s l i d 的4 w d 微型电动汽车它采用碳素纤维轻质车身，其每个车轮上安装有1 0 个5 0 0 w 的 小型电机，总功率为2 0 k w 。 通用汽车于2 0 0 2 年提出了基于线控概念的a u t o n o m y 四轮驱动燃料电池模 型车，随后，仅用了8 个月时间便开发出了h y w i r e ，如图1 2 所示。h y w i r e 继承了a u t o n o m y 的理念将行驶所需的全部功能都包括在薄底盘之内，在 厚度仅为1 1 英寸( 2 7 9 0 n ) 的薄底盘中，包括了除燃料电池盒以外的所有行驶 所需的功能，在由此实现的平坦地板上，覆盖了确保5 名乘员舒适乘坐的宽敞 车体。使用“x - b y w i r f 技术后，方向盘改为方向操纵杆，位于驾驶员的腋下部 位的地板上，同时此前驾驶所需要的油门及刹车踏板也被取消。虽然h y - w i r e 还不是四轮驱动电动汽车，但作为一种操控方式全部线控化的电动汽车，已引 起了人们的浓厚兴趣。这一构思的成功实施。将引发电动汽车结构的大变革。 2 0 0 5 年即将在上海举行的国际车展，通用公司推出了新一代的燃料电池汽车 s e x l u d ，不仅延续了前两款产品的精髓集轮毂电机、线传操控和燃料电池等最 新技术于一身，更在可驾驶性方面取得了突破性的进步。由于采用四轮驱动牵 引系统。驱动电机能及时地对四个车轮的扭矩进行精密的动态控制，进一步提 高车辆的稳定性和牵引力从而赋予驾驶者更太的控制权，不仅保证驾驶者安 全，同时也能提供更多驾控乐趣，赋予驾驶者无与伦比的操控性。 日本丰田公司也展出了最新一代的燃料电池汽车f i n e n ，如图1 3 所示。 氢燃料栈仅仅只有1 5 0 毫米高连同锂电池一起位于车辆地板下面，代替传统的 动力传动系统。f i n e n 采用了线控转向，刹车以及油门控制。没有机械结构的 约束，方向盘毗及踏板的位黄可以自由的调整以适应任何一个驾驶者的各种需 求，而车厢也几乎全部的空问都归属于驾乘人员。每个车轮都各自装备有一个 2 5 千瓦的电动机，在车加速或者刹车的时候提供额外的动力给4 个车轮。得益 于其更加高效的新的燃料电池该车的行驶里程达到5 0 0 公里。 囤13f i n e n 中晴同济人学硕士学位论文 具有4 w s ( 4w h e e ls t e e r 四轮转向技术) 的电动汽车，在国外也有研究。 如具有横向行驶，原地转向功能的日本四国电力的v o n d e np i v o t 车，通过4 w d 与4 w s 并用，在高速行驶时提高电动汽车的操纵稳定性等，而产品化及批量生 产尚未实现。 国内，由同济大学汽车学院与上海燃料电池汽车动力系统有限公司承担的 国家8 6 3 燃料电池轿车项目组，关注电动汽车发展的前沿方向，于2 0 0 2 年8 月， 采用全部国产零部件，率先试制成功一台由四个直流无刷轮毂电机独立驱动的 四轮驱动燃料电池微型电动汽车动力平台“春晖一号”。它采用了由锂离子动力 电池和小功率燃料电池构成的电一电混合动力系统和自主开发的单片机四轮驱 动控制系统在2 0 0 2 年1 1 月的第四届上海国际工业博览会上，“春晖一号”成 功展出并荣获“创新奖”，吸引了社会各界和媒体的广泛关注，成为此届国际工 博会的一个亮点。2 0 0 3 年又推出了“春晖二号”四轮驱动燃料电池微型电动汽 车动力平台，2 0 0 4 年又成功推出。春晖三号”线控转向四轮驱动燃料电池汽车。 图14 春晖_ = 号圉15 春晖三号 综上所述，四轮驱动电动汽车的研究在国际上方* 未艾。特别是，由于电 机及其数字伺服控制技术的高度发展，以及燃料电池、车用轻质材料与车架结 构轻量化技术等的迅速发展，为这种驱动型式电动汽车潜在优势的发挥提供了 必要的技术基础和良好的发展契机。但是随着汽车驱动形式的彻底改变，其底 盘结构动力系统配置及驱动控制等各个方面，与传统内燃机汽车有很大的区别。 目前国内外研究的焦点主要在整车驱动系统、轮毂电机自身结构及控制技术的 研究，至于考虑悬架结构特征的悬架一电动轮结构模块化的研究，几乎是一片空 白。 模块化设计是一种较新型的设计方法，它不同于传统的设计方法，应用此 种方法，开发具有多种功能的不同产品，不必对每种产品单独设计，而是精心 设计出多种模块，将其以不同方式组合来构成不同产品，以解决产品品种、规 申请同济人学硕十学位论文 格与设计制造周期、成本之间的矛盾。这罩所谓的模块，是指一组具有同一功 能和接合要素( 指联接部位的形状、尺寸、联接件问的配合或啮合等) ，但性能、 规格或结构不同却又能互换的单元。其的最大优点减少新产品设计成本、 周期；增加同一制造流水线可生产产品的种类，减少制造成本；增加产品对环 境( 市场、地域、自然环境等) 的适应性，一种产品，一般只须改变一种或几 种模块，既能适应环境需求，提高产品对市场的敏感性和快速反应性；适应新 兴的d i y ( d oi ty o u r s e l f ) 理念，允许用户自己选择产品构成与配置，体现个 性化( 已在电脑等领域广为采用) ，相信d i y 将在汽车领域大有作为。 上述优点对于汽车这一产品尤为重要，以下便是汽车业内厂家采用模块化 技术取得成功的几个例子。 2 0 世纪七八十年代，德国图内的汽车业劳动成本居高不下，分别较美国和 日本高出3 2 6 和5 5 。劳动生产率却比美、日公司低1 0 ，最为严峻的是市场 形势，欧洲汽车需求呈现饱和。为此，在紧守本土、稳住欧洲、全力开拓亚洲 和美洲市场的战略引导下，大众和戴一克集团开始加快全球化的步伐。然而，全 球市场不仅竞争异常激烈，而且消费的层次、产品的特性更具多元化与个性化， 如何能解决产品低成本、缩短市场响应时间、车型多样性三者之间的矛盾就成 了实施扩张战略的核心。模块化技术和供货模式成功地解决了这一问题，为德 国乃至欧洲汽车公司长盛不衰、挺进全球市场离下了汗马功劳。这也是欧洲公 司推崇模块化生产方式的直接原因。目前欧洲的整车厂模块化配套额有的已高 达8 0 9 0 ，主要集中在车身及车身附件、汽车机电一体化或汽车电子设备上。 模块化也为汽车系统公司带来了看得见的利益。博世公司作为世界领先的 零部件和系统供应商，在公司“3 一s 战略( 让汽车更安全、更环保和更经济) 和模块化生产的指导下，博世公司研制出了成功的产品系列，颇具代表性的有 1 9 7 8 年推出的a b s 防抱死制动系统、1 9 9 5 年推出的电子稳定系统。 综上所述，模块化技术在汽车上的应用具有巨大的优势，已在一定程度上 改变了现代汽车设计生产的模式，产生了“汽车平台的概念；采用模块化方 式有利于提高汽车零部件的品种、质量和自动化水平，提高汽车的装配质量， 缩短汽车的生产周期。模块化将继续影响未来汽车的发展。轮毂电机四轮驱动 电动汽车作为一种电动概念车，是汽车中内容最丰富、最前卫、最应代表世界 汽车科技发展方向和设计水平的汽车，因此采用模块化技术是再恰当不过的了 1 3 本文研究的思路及主要内容 本文围绕国家科技部8 6 3 电动汽车重大专项“燃料电池轿车”子课题“四 申请同济人学硕十学位论文 轮驱动关键技术研究 ，以轮毂电机四轮独立驱动电动汽车为研究对象，其研究 的主要任务就是谋求一种能够将轮毂电机与悬架、转向、制动、测速等功能为 一体的悬架一电动轮结构模块化设计方法和理论，从中寻求结构简洁、性能良好 的新型电动轮结构原型。其具体工作内容有以下几个方面： 1 ) 在分析各种不同形式电动轮和制动器结构特点的基础上，确定适当的悬 架电动轮模块化结构型式； 2 ) 运用现代三维。如c a e 工具u g 和a d a m s 软件，建立悬架电动轮 模块的虚拟样机模型，对样机模型进行仿真分析与设计，为悬架与转向系统的 运动学分析提供依据； 3 ) 建立a d a m s 转向机构模型，进行转向梯形机构的优化分析； 4 ) 在悬架导向机构受力分析的基础上，运用a n s y s 进行悬架结构的强度 分析、扭杆弹簧的刚度匹配及设计分析； 5 ) 与线控转向4 w d 4 w s 电动汽车的开发相结合，研究考虑线控转向要求 的悬架电动轮模块结构。 中请同济人学硕十学位论文 第2 章独立悬架一电动轮模块结构方案分析及选型 独立悬架一电动轮模块主要由轮毂电机、悬架、制动系统和转向系统等部 分组成。从机械结构上讲，不同组件之问的组合形成不同的结构形式，其性能 也不尽相同。本章综合比较各种不同结构方案的特点和可行性，以确定简单适 用的悬架电动轮模块结构型式。 2 1 轮毂电机的选择 作为电动汽车驱动系统的关键零部件，轮毂电机是悬架电动轮结构模块化 设计的核心元件。其类型对驱动系统以及电动车整体性能影响非常大，评价电 动车电气驱动系统实质上主要就是对不同电动机及其控制方式进行比较和分 析，目前正在应用或开发的电动车用电动机主要有直流电动机、感应电动机、 永磁无刷电动机、开关磁阻电动机四类。 早期电动汽车驱动电机多采用直流有刷电机，而且当前仍在一些电动汽车 上使用。直流有刷电动机结构简单，具有优良的电磁矩控制特性。但是直流有 刷电动机的机械换向结构易产生电火花，不宜在多尘、潮湿、易燃易爆环境中 使用，其换向器维护困难，很难向大容量、高速度发展。电火花产生的电磁干 扰，对高度电子化的电动汽车来说也是不利的。此外，直流有刷电动机体积和 重量较大。目前国外各大公司研制的电动车驱动系统已逐渐淘汰了直流有刷电 机。 交流三相感应电动机是应用得较广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片 叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠， 经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到1 2 0 0 0 一1 5 0 0 0 r m i n 。 可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应性好，并能够 实现再生反馈制动。与同样功率的直流有刷电动机相比较，效率较高，质量减 轻一半左右，价格便宜，维修方便。由于交流三相感应电动机不能直接使用蓄 电池供给的直流电，另外交流三相感应电动机具有非线性输出特性。因此，在 采用交流三相感应电动机的电动汽车上，需要应用逆变器中的功率半导体器件， 将直流电变为频卒和幅值都可以调节的交流电来实现对交流三相电动机的控 制。主要有变压变频控制，矢量控制法，转差频率控制法等。而其中以变压变 频控制技术最为成熟，但是为了使感应电动机适应电动汽车的要求，电机体积 必须做得小些，这样使铁芯容易饱和。在电机饱和区域内很难实现对电机转矩 进行准确和稳定地控制，对于需要频繁起动，加减速的电动车不太适宜。为此 申请同济人学硕十学位论文 在电动车上采取矢量控制技术。但矢量控制技术难度较大，控制回路复杂，变 换器开关元件容易产生直通现象，必须增加必要的保护电路，系统成本高，加 上感应电机固有的缺点：启动力矩较小，调速性差，这些都将影响交流感应电 机在电动汽车上的应用。 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流 有刷电动机的外特性而没有电刷的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子， 没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁 无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简 便。此外，它的转速不受机械换向的限制，它的最高转速可以达到1 0 0 0 0 r p m 。 由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于 运行在恒转矩区域。永磁无刷直流电动机还具有启动力矩大，过载能力强，质 量轻，体积小，高效率等优点。这一系列特点使其非常适合在微型电动汽车方 面应用。但是永磁无刷直流电动机也有它不足的一面，永磁无刷直流电动机受 到永磁材料工艺的影响和限制，使得其功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。 开关磁阻电机构造最为简单，定，转子均为凸极齿槽结构。其转子上无任 何绕组，因此转子上没有铜耗，且转子非常坚固，所以特别适合高速运行，其 最高转速可达1 0 0 0 0 0 r p m 以上。其定子上只有集中绕组，制造工艺简单，易于 冷却，所以可以适当地提高电机的能量密度。开关磁阻电机起动转矩大，低速 时为恒转矩输出，而且起动电流小，高速时为恒功率输出，它可以在较宽转速 和转矩范围内高效运行。由于开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，因此， 它的控制系统较为复杂。它的控制系统包括功率变换器，控制器，位置检测器。 开关磁阻电动机的励磁绕组，无论通过正向电流或反向电流，其转矩方向不变， 每相只需要一个容量较小的功率开关管，功率变换器电路较简单，不会出现直 通故障，可靠性好，易于实现系统的软启动和四象限运行，具有较强的再生制 动能力。成本比交流三相感应电动机的逆变器控制系统要低。控制器由微处理 器、数字逻辑电路等元件组成。微处理器根据驾驶员输入的命令，同时对位置 检测器、电流检测器所反馈的电动机转子位置，进行分析，处理，并在瞬间做 出决策，发出一系列执行命令，来控制开关磁阻电动机适应电动汽车不同条件 下运行。控制器性能好坏和调节的灵活性，取决于微处理器的软件和硬件的性 能配合关系。此外，开关磁阻电动机需要高精度的位置检测器，来为控制系统 提供电动机转子的位置、转速和电流的变化信号，并要求有较高的开关频率以 降低开关磁阻电动机的噪声。由此可见，开关磁阻电动机的控制系统比其他电 动机的控制系统复杂一些，位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件，其性能 对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结构， 申请同济人学硕十学位论文 不可避免地存在转矩波动，因此噪声比较大。 由这四类电动机组成的驱动电机系统，其总体比较如表2 - 1 所示。 表2 - 1 各驱动电机之间的性能比较 直流有刷感应电机永磁无刷电开关磁阻电 电机机 机 控制方式 差 一般优优 电大小，质量差优优一般 动高速运转能力差优一般 优 机 维修性 差 优一般优 效率差一般优优 控 尺寸，质鼍 优 一般一般一般 制 控制性一般优优一般 器 功率元件数少多多 较多 综合评价 差一般优 较优 通过对上面四种驱动电机的简介和综合比较，从表中我们可以清楚地看出 永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机综合性能超过其它电动机，是当前电动 汽车的最佳选择，结合考虑电机尺寸和质量，控制器尺寸和质量以及效率要求 比较高，而高速运转能力和功率的要求不是很高，所以最后决定选用永磁无刷 直流电动机。 以上是从电机的电气性能方面来考虑选择，而从其传动原理上来讲电动轮 可以有两种结构型式，一种是不带减速器，直接由电机驱动车轮；另一种是带 减速器，电机通过减速后驱动车轮。前者结构简单，但对电机要求较高，有时 需要配备复杂的冷却和润滑系统，从而使电机制造成本高。后者采用减速器后， 电机可以在较高转速下工作，电机制造相对简单；传动系统一般采用行星齿轮 减速结构，分双级减速和单级减速两种：而单级减速结构较紧凑，是目前主要 采用的结构型式。 2 2 悬架形式的选择 按悬架的导向机构的形式不同，可分为独立悬架和非独立悬架两大类。非 独立悬架的特点是：左、右两个车轮用一根刚性轴连接起来，并通过悬架与车 身相连，与独立悬架相比具有结构简单，制造成本低，维修方便的优点；缺点 是非簧载质量大，在高速行驶的工况下不能充分保证平顺性，前悬架易发生摆 振现象。独立悬架的特点是：左、右两个车轮不通过一根刚性轴连接起来，与 中请同济人学硕+ 学位论文 非独立悬架相比具有非簧载质量小，悬架所受到的冲击载荷和传给车身的冲击 载荷比较小，可以采用刚性相对小的弹簧，从而降低车身振动频率，改善汽车 的平顺性。由于取消了整根刚性轴，在总体布置上可以降低汽车的重心，提高 行驶的稳定性，正确地选取导向机构的参数和形式可以大幅度消除车身的侧倾 和摆振现象。缺点是结构复杂，维修不便。但是由于独立悬架的优点突出，目 前绝大部分现代轿车的前悬架都采用这种结构的悬架。 双横臂独立悬架是独立悬架中一种比较典型的结构形式。按照上、下横臂 的长短又可分为等长和不等长两种。等长双横臂悬架在其车轮上下跳动时，虽 然可以保持主销的倾角和车轮外倾角不变，但是轮距变化大，导致轮胎的磨损 严重，现在已经很少采用；不等长双横臂独立悬架只要合理的选择结构参数和 适当地布置，就可以将轮距和前轮的定位参数变化限制在一定的范围之内，保 证良好的行驶稳定性，故这种形式的独立悬架在现代轿车中得到了广泛的应用。 2 3 制动器的选择 除了辅助制动装置是利用发动机排气或其他缓速措施对下长坡的汽车进行 减速或稳定车速外，汽车制动器几乎都是机械摩擦式，即是利用固定元件与旋 转元件工作表面问的摩擦而产生制动力矩使汽车减速或停车的。 目前各类汽车上所用的摩擦制动器可分为鼓式和盘式两大类。前者的摩擦副 中的旋转元件为制动鼓，其工作表面为圆柱面；后者的旋转元件则为圆盘状的 制动盘，以端面为工作表面。 鼓式制动器有内张型和外束型两种。前者的制动鼓以内圆柱面为工作表面， 在汽车上应用广泛；后者制动鼓的工作表面是外圆柱面，目前只有极少数汽车 用作驻车制动器。内张型鼓式制动器都采用带摩擦片的制动蹄作为固定元件。 位于制动鼓内部的制动蹄在一端承受促动力，可绕其另一端的支点向外旋转， 压靠在制动鼓内表面上，产生制动力矩。按制动蹄的属性可分为领从蹄式、双 领蹄式、双从蹄式和增力式这四种。由于这四种制动蹄在制动过程中受力情况 及结构型式的各不相同，所以其制动效能、热稳定性能各不相同。增力式制动 器效能最高，双领蹄式次之，领从蹄式更次之，双从蹄式制动器的效能最低， 故很少使用。而就工作稳定性来看，名次正好相反。 按摩擦副中的固定摩擦元件的结构，盘式制动器分为钳盘式和全盘式制动 器两大类。钳盘式制动器的固定摩擦元件是两块带有摩擦衬块的制动块，后者 装在以螺栓固定于转向节或桥壳上的制动钳体中。两块制动块之间有作为旋转 元件的制动盘，制动盘是用螺栓固定于轮毂上。制动块的摩擦衬块与制动盘的 中请同济人学硕十学位论文 接触面积很小，在盘上所占的中心角一般仅为，其结构简单，质量小，散热性 较好，借助于制动盘的离心式作用易于将泥水、污物等甩掉，维修方便。但由 于摩擦衬块的面积较小，单位压力很高，摩擦面的温度较高，故对摩擦材料的 要求较高。全盘式制动器的固定摩擦元件和旋转元件均为圆盘形，制动时各盘 摩擦表面全部接触。其工作原理如摩擦离合器。用的较多的是多片全盘式制动 器，以便获得较大的制动力。但是这种制动器的散热性能较差，结构较为复杂。 与鼓式制动器相比，盘式制动器有如下优点： 1 ) 衰退性能、水衰退性能好。由于制动盘暴露在空气中，有利于散热：制 动盘对制动块无摩擦增势作用，因此其制动效能受材料的摩擦系数影响较小i 当车辆浸水后，在行驶车轮旋转离心力的作用下水能够很快被甩掉，因而制动 效能衰减较小；盘式制动器的制动块对制动盘的单位面积压力大容易将其中的 水排挤出来，故汽车从浸水状态出来后只需要一两次制动即可恢复j 下常，而鼓 式制动器同样情况下通常需要1 0 来次制动后才能恢复正常。 2 ) 制动平顺，效能稳定。盘式制动器由于无摩擦增势作用，所产生的制动 力矩仅与油缸的液压成j 下比，而与汽车的运动方向无关，所以其制动力矩的增 长较鼓式制动器和缓，且不易跑偏，因而特别适合前轮制动器。 3 ) 盘受热后的径向变形膨胀较大而厚度方向的热膨胀极小，因而不会象鼓 式制动器的热膨胀那样，使制动器的间隙明显增加，进而导致制动踏板行程增 大，使制动效能下降。 4 ) 结构紧凑，质量轻体积小。虽然盘式制动器的制动效能提高了，但是在 产生相同的制动力矩的情况下，盘式制动器比鼓式制动器体积小、质量轻、结 构紧凑。 但是盘式制动器难以完全防止尘污和锈蚀；且兼作驻车制动器时，所需附 加的驻车制动驱动机构较复杂；另外由于无增势作用，制动效能低，中型轿车 采用时需要加力装置。但是总体而言，盘式制动器还是优于鼓式制动器，在汽 车上有取代鼓式制动器的趋势。 2 4 结构方案比较 采用双横臂悬架及目前常用的盘式制动器，针对不同的电机型式可以得到 下面两种典型的结构。 中请同济大学硕十学位论文 a ) 内转子轮毂电机的情形b ) 外转子轮毂电机的情形 1 、车轮，2 、电机，3 、行星减速器，4 、制动盘， 5 、制动钳，6 、上横臂，7 、转向主销，8 、下横臂 图2 1 双横臂悬架一电动轮模块结构示意图 图2 1 a 为行星减速器内转子式电动轮一悬架模块化示意图，由于这种结构 有行星减速器起减速增距作用，电机需要输出的扭距可以比较小，因此电机可 以设计的比较小，与整个电机的质量可以做的比较轻。制动器直接对电机内转 子制动，有利于减小制动力和制动器尺寸。由于电机体积较小，有利于在轮辋内 的布置，但是减速器本身要损耗一部分功率，电机内部机械结构比较复杂。在 与悬架组件相连时，电机外壳和转向主销固连，电机外壳兼做转向主销联接件， 有可能获得较小的主销偏移距。所以这种结构性能的优劣很大部分取决于电机 本身。 图2 1 b 电机直接带动车轮，传动效率较高，但是电机需要输出很大的扭距， 因此电机必须做的足够大才能满足力矩输出的要求。电机与悬架连接结构比较 简单，但是受电机轴向尺寸限制，主销偏移距比较大。 从上述两种方案看，在机械结构方面前一种比较紧凑，但是结构较复杂， 且传动效率有所下降。后者结构简单，传动效率较高，但是电机体积较大。结 构的繁简很大程度上取决于电机本身的参数，比如重量、体积、功率、转速等。 本课题选用外转子式轮毂电机，故以下就按图2 1 b 所示的方案，研究双横臂悬架夕 转 子电动轮模块的结构分析与设计。 中请同济人学硕十学位论文 第3 章双横臂悬架一转向系统a d a m s 虚拟样机建模与仿真 3 1 虚拟样机技术简介3 1 啦3 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是当前设计制造领域的 一门新技术，涉及多体系统动力学，计算方法和软件工程等学科。它利用软件 建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物 理样机的设计和制造提供参数依据。虚拟样机技术在设计的初级阶段概念 设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析，观察并试验各组成部分的相互运 动情况。使用虚拟样机技术，工程师在计算机上建立样机模型，在虚拟的环境 下模拟系统的真实运动，对模型进行各种动态性能分析，设计方案改进，直至 获得最优设计方案后，再制造物理样机。 虚拟样机技术的研究对象是机械系统，所谓机械系统这里可以视为是由多 个相互连接、彼此能够相对运动的构件的组合。在机械系统中存在三种性质不 同的分析：( 1 ) 静力学分析，主要研究各构件之间无相对运动的系统在力作用 之下的受力和强度问题；( 2 ) 运动学分析，主要涉及系统及其各构件的运动分 析，而与引起运动的力无关；( 3 ) 动力学分析，主要涉及由外力作用引起的系 统运动分析，分为两种情况：一种是确定与时间无关的力作用下系统的平衡位 置，另一种情况是运动学和动力学分析的混合形式。虚拟样机技术的研究范围 主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行 机械系统的上述三种分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和 加速度，同时通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力 及其反作用力。 一个优秀的虚拟样机分析软件除了可以进行机械系统动力学和运动学分 析，还需要融合其他相关技术，图3 1 表示与虚拟样机技术相关的技术领域。 图3 1 虚拟样机相关技术 申请同济人学硕+ 学位论文 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) j 下是这样一 个集建模、求解、可视化于一体的虚拟样机软件，它使用交互式图形环境和零 件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多 刚体系统动力学理论建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动 学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，a d a m s 的仿真 可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及利用动力学 分析的结果确定有限元分析所需的外力和边界条件。a d a m s 的核心模块包括 a d a m s v i e w ( 界面模块) 和a d a m s s o l v e r ( 求解器) ，v i e w 模块提供以用户 为中心的交互式图形环境，并将仿真计算、优化设计、动画显示、结果分析和 x y 曲线图处理集成在一起；s o l v e r 模块是a d a m s 软件的仿真“发动机”，它 自动形成机械系统模型的动力学方程，并提供多种求借解选项以及算法支持， 以便获得精确结果。除次之外，a d a m s 还包括其他扩展模块，例如 a d a m s c o n t r o l s ( 模块) 用于建立机械和控制系统的联合分析；a d a m s l i n e a r ( 线性系统模块) 可以在系统仿真时将非线性环节进行线性化处理，以便快速 计算系统的固有频率( 特征值) 、特征向量和状态空间矩阵；a d a m s f 1 e x ( 柔 性分析模块) 通过提供a d a m s 软件与有限元分析软件之间的双向数据交换接 口，以便于在仿真时考虑零部件的弹性特性，提高仿真精度。 3 2a d a m s 建模理论 a d m a s 虚拟样机仿真分析的基本步骤，如图3 2 所示。 中请同济大学硕十学位论文 图3 2a d a m s 工作流程 1 5 中请同济人学硕十学位论文 它和传统的设计方法具有类似的流程，但他们之间又存在着本质的差别。 这就是a d a m s 的研究对象并未制造出来，而是计算机上的虚拟样机。这使得 传统的“设计一比较一优化一改进设计这一循环过程效率大大提高，甚至能 够实现半自动化自动化设计。同时由于节省了大量的物理样机试验，使得丌发 费用也大大降低。 下面就介绍a d a m s 中动力学分析的几个重要概念，它们是动力学建模的 理论基础。 1 ) 坐标系 描述刚体的运动需要选择合适的参考坐标系。在许多情况下，大地坐标 系并不是最理想的选择。a d a m s 使用三种形式的坐标系，它们是： a 大地坐标系 b 局部坐标系 c 标记 大地坐标系是参考坐标系，一般在系统分析是固定不动。 局部坐标系( l o c a lp a r tr e f e r e n c e ，l p r f ) 是一个与特定刚体固结的坐标系， a d a m s 中的每个刚体有一个l p r f 。可以通过指定l p r f 关于大地坐标系的位 置和方向来确定刚体的初始位置和方向。如果不特别指定l p r f ，则缺省的l p r f 初始位置和方向与大地坐标系重合在a d a m s 建模及运动学、动力学分析过程 中。 标记( m a r k e r ) 是定义位置和方向的基本手段。对它的运用是a d a m s 的 一个重要特色和优点。 m a r k e r 是一个特殊的坐标系，它有位置和方向两组向量。定义m a r k e r 方 向的最常用方法是采用欧拉角，即用m a r k e r 的坐标系相对于所属l p r f 的进动 角、章动角、自旋角来表征，这三个角度同时也代表了顺次绕该l p r f 的z 、x 、 z 轴旋转相应角度。 在a d a m s 中，有两种m a r k e r ，即固定的和浮动的。固定m a r k e r 固结在 刚体上，而a d a m s 中的有些力和约束使用浮动m a r k e r 以确定力的作用点在刚 体上的位置。m a r k e r 的重要作用有很多，如： a 定义力的作用点和作用方向 b 运动副的连接点及方向 c 几何元素的位置及方向 d 刚体的质心及其惯性轴 2 ) 刚体及约束 刚体自然是多刚体系统动力学的主要研究对象。每个有六个自由度，即三 中请同济人学硕十学位论文 个平动自由度和三个转动自由度。在a d a m s 中每个刚体都有它自己的坐标系， 即l p r f 。a d a m s 也可以将经过有限员分析的“刚体”纳入系统中。这实际上 就成为带柔性体模型的多刚体系统。 约束是刚体之间的连接形式，自由的刚体通过约束构成一个多刚体系统。 a d a m s 中的约束类型有：1 运动2 运动副3 原始约束( j o i n tp r i m i t i v e s ) 4 高 副5 复合运动副6 用户自定义约束。它们分别减去系统一到五个自由度。 另外四种约束c o u p l e 、g e a r 、r a c kp i n i o n 、s c r e w 提供的是一种 复合约束，他们使两个理想运动副之间发生一定的比例约束，从而减去系统一 个自由度。 3 1 自由度 自由度( d e g r e eo ff r e e d o m ，d o f ) 是指一个物体或系统能够以多少特定 方式运动。a d a m s 中关于自由度的理论与传统的机械原理稍有区别。 a 每一类约束至少减去系统的一个或几个自由度，因为它完全限制了某种 或某些特定的相对运动。 b 作用力既不增加也不减少一个系统的自由度。因为它并不完全限制运动， 而只是潜在地影响运动。 c 和有限元模型中的点不同，机械系统仿真中的点并不增加系统的自由度， 因为它是固结在刚体上的。 对于一个复杂的系统，自由度可用g r u e b l e r 公式来计算： d o f = 6 半n 口罗0 f 木d j ) ( 3 1 ) 筒 其中8 代表刚体数，q 代表某种特定的约束数目，刀；代表这种约束减去 系统的自由度。这个公式本身其实是很机械的，有时它很难适用，因为它要求 必须符合一下假设：各部分被所有约束正确地连接起来且没有多余的约束。 4 ) 方向的表示 一个固定刚体方向的全部表示通常包括下列的内容： a 发生旋转所围绕的轴 b 关于每个轴的转角 c 旋转序列 确定