毕业设计（论文）-四轮转向电动线控底盘设计

毕业设计四轮转向电动线控底盘设计姓名：学号：院系：交通与车辆工程系专业：车辆工程指导教师：校外指导教师：二〇二二年五月二十四日毕业设计原创性声明本人所提交的毕业设计《四轮转向电动线控底盘设计》，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。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已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。本声明的法律后果由本人承担。论文作者（签名）：指导教师确认（签名）：2022年5月24日2022年5月24日毕业设计版权使用授权书本毕业设计作者完全了解唐山学院有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业设计的复印件和磁盘，允许毕业设计被查阅和借阅。本人授权唐山学院可以将毕业设计的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编毕业设计。保密的毕业设计在_______年解密后适用本授权书。论文作者（签名）：指导教师（签名）：2022年5月24日2022年5月24日唐山学院毕业设计唐山学院毕业设计摘要智能汽车是目前的技术发展热点，众多无人驾驶技术密集落地应用，无人驾驶技术在提高生产效率、提高驾驶安全性、降低运行成本等方面存在诸多优势，是未来车辆的技术发展趋势。从控制角度看，智能车主要由车辆本体和无人驾驶电控系统组成，而适应于智能车辆本体研发的众多技术中，“滑板电动底盘”将无人驾驶功能模块化，一款通用性强的车辆底盘，更加适合在此基础上做具体场景的具体功能的无人驾驶车辆的研发生产。同时，汽车电动化、智能化的趋势，也呼唤通用线控底盘的研究。所以，本次研究一种线控、四轮驱动、四轮转向、滑板式、通用底盘。本次设计的目标考虑技术方案的落地生产，首先进行了文献检索和技术调研，对相关智能车辆的结构、尺寸等参数进行分析，结合本次线控底盘设计需求，确定了本次设计的相关要求；然后，通过计算和分析，对相关零部件进行选型；确定主要零部件型号后，对悬架部分和转向部分进行了结构设计；在结构设计完成后，进行部件之间的干涉分析和结构静载荷仿真，验证部件之间的相对运动情况和结构强度是否符合设计需求。通过计算、三维建模、仿真分析等工作，本次研究最终设计出一种具备四轮驱动、四轮转向结构的电动滑板底盘，其拥有更好的灵活性，具备横向移动的能力，并且兼顾了承载性和复杂路况的适应性，适合进行无人车辆的功能拓展。本次研究的技术方案科学合理，适合唐山学院及周边企业的加工设备现状和加工能力，容易落地生产。本方案对推动小型化、智能化、无人化作业设备的研发、促进无人驾驶相关行业技术进步具有重要意义。关键词：线控底盘；轮毂电机；四轮转向；悬架；滑板底盘；ABSTRACTIntelligentvehicleisthecurrenttechnologydevelopmenthotspot.Manydriverlesstechnologiesareintensivelyappliedontheground.Driverlesstechnologyhasmanyadvantagesinimprovingproductionefficiency,improvingdrivingsafetyandreducingoperationcost.Itisthetechnicaldevelopmenttrendofvehiclesinthefuture.Fromtheperspectiveofcontrol,intelligentvehicleismainlycomposedofvehiclebodyanddriverlesselectroniccontrolsystem.Amongthemanytechnologiessuitablefortheresearchanddevelopmentofintelligentvehiclebody,"slideelectricchassis"modularizesdriverlessfunction.Avehiclechassiswithstronguniversalityismoresuitablefortheresearch,developmentandproductionofdriverlessvehicleswithspecificfunctionsofspecificscenesonthisbasis.Atthesametime,thetrendofelectricandintelligentvehiclesalsocallsfortheresearchofgeneral-purposechassisbywire.Therefore,thispaperstudiesawirecontrolled,four-wheeldrive,four-wheelsteering,slidingplatetypeandgeneralchassis.Thegoalofthisdesignistoconsiderthelandingproductionofthetechnicalscheme.Firstly,literatureretrievalandtechnicalresearcharecarriedout,thestructure,sizeandotherparametersofrelevantintelligentvehiclesareanalyzed,andtherelevantrequirementsofthisdesignaredeterminedincombinationwiththedesignrequirementsofthiswirecontrolledchassis;Then,throughcalculationandanalysis,therelevantpartsareselected;Afterdeterminingthemodelofmainparts,thestructuraldesignofsuspensionpartandsteeringpartiscarriedout;Afterthestructuraldesigniscompleted,theinterferenceanalysisbetweencomponentsandstructuralstaticloadsimulationarecarriedouttoverifywhethertherelativemotionbetweencomponentsandstructuralstrengthmeetthedesignrequirements.Throughcalculation,three-dimensionalmodeling,simulationanalysisandotherwork,thisresearchfinallydesignsanelectricskateboardchassiswithfour-wheeldriveandfour-wheelsteeringstructure,whichhasbetterflexibility,lateralmovementability,andtakesintoaccounttheadaptabilityofbearingcapacityandcomplexroadconditions,whichissuitableforthefunctionalexpansionofunmannedvehicles.Thetechnicalschemeofthisstudyisscientificandreasonable,suitableforthecurrentsituationandprocessingcapacityofprocessingequipmentofTangshanUniversityandsurroundingenterprises,andeasytoimplementproduction.Thisschemeisofgreatsignificancetopromotetheresearchanddevelopmentofminiaturized,intelligentandunmannedoperationequipmentandpromotethetechnologicalprogressofunmanneddrivingrelatedindustries.Keywords:chassisbywire;hubmotor;fourwheelsteering;suspension；Slidingplatechassis；目录第1章绪论 131.1研究背景及意义 131.2国内外研究现状 131.3本章小结 14第2章整体结构设计与零部件选型 152.1市场调研与方案设计 152.2方案确定 162.3车架设计及仿真分析 172.3.1车架设计 172.3.2车架仿真分析验证 182.4零部件选型 192.4.1轮毂电机选型 192.4.2转向电机选型 212.4.3减震器选型 222.4.4电池选型 222.5本章小结 23第3章悬架设计 243.1悬架型式选择 243.1.1悬架组成与功能 243.1.2悬架型式分析 243.1.3本节小结 253.2横臂设计 263.3悬架支架设计 263.4轮边设计 273.5本章小结 27第4章四轮转向系统设计 284.1四轮转向结构分析 284.1.1传统双横臂四轮转向结构 284.1.2刚性全向转向结构 284.1.3行星轮式转向结构 294.1.4特种轮胎 294.1.5本节小结 304.2四轮转向结构设计 304.3转向支架设计 314.4转向柱支架设计 314.5车轮支架设计 324.6制动器设计 324.7结构虚拟装配和运动干涉分析 334.7.1悬架运动干涉分析 334.7.2转向干涉分析 344.8本章小结 34第5章主要零部件仿真分析 355.1仿真工具软件的选择 355.2悬架支架仿真分析 365.2.1悬架支架仿真分析条件设置 365.2.2仿真结论 385.3悬架横臂仿真分析 385.3.1悬架横臂仿真分析条件设置 385.3.2仿真结论 405.4转向支架仿真分析 405.4.1转向支架仿真分析条件设置 405.4.2仿真结论 425.5转向柱支架仿真分析 425.5.1转向柱支架仿真分析条件设置 425.5.2仿真结论 445.6车轮支架仿真分析 445.6.1车轮支架仿真分析条件设置 445.6.2仿真结论 465.7其他材料仿真分析 465.8本章小结 52结论 53参考文献 54致谢 55第1章绪论1.1研究背景及意义随着人工智能科技的发展，智能车的发展也愈发迅速，为生活生产提供了许多便利，同时很大程度提高了工作效率，保证了危险行业的工作安全。其中智能无人快递配送车、无人餐饮配送车、场内货物搬运车等都与我们日常生活紧密相关[1-2]。智能车主要由车辆本体和无人驾驶电控系统组成，而适应于智能车辆本体研发的众多技术中，“滑板电动底盘”将无人驾驶功能模块化，一款通用性强的车辆底盘，更加适合在此基础上做具体场景的具体功能的无人驾驶车辆的研发生产。大部分智能驾驶作业设备为小型低速车辆，结构紧凑，对动力装置的布置和行动灵活性要求较为严格，所以采用电力驱动的方式，并且符合绿色能源要求[5-6]。同时，其工作环境多为复杂多变的城市环境，或为拥挤的厂房，因此这类车辆需具备较高的灵活性[7]，所以采用四轮转向的转向结构，极大提高了车辆灵活性。在驱动结构上，多采用轮毂电机的驱动方式[8]，采用轮毂电机不需要布置传动结构，控制方便，适用于智能驾驶车辆灵活紧凑的结构[9]。整车系统均由线控控制，具有高度集成性和便于控制性[10]。随着科技的发展以及产业的升级，越来越多的智能驾驶作业设备出现在我们的生活中，由于产业要求不同，不同智能驾驶作业设备差异性很大，但它们均采用线控滑板底盘，通过设计四轮转向电动线控通用底盘，可以满足不同作业设备对底盘的要求，具有很强的通用性，最大程度满足不同产业对底盘灵活性、载重性的不同要求，容易落地生产。对推动小型化、智能化、无人化作业设备的研发、促进相关行业技术进步具有重要意义。1.2国内外研究现状目前国内外类似车辆绝大部分采用线控电动驱动、轮毂电机的驱动方式，但是，由于工作环境和车辆用途的差别，其四轮转向结构各不相同，有的侧重灵活性，有的侧重舒适性，目前还没有一种适合本次设计的四轮转向结构，因此，悬架结构和四轮转向结构为本次设计重点。四轮转向系统最早应用最典型的就是日本，日产的HICAS(高容量主动控制悬架)系统最先应用于乘用车上。随着电子控制技术的不断发展，近年来，欧美、日本等国家越来越重视智能交通系统、智能车辆高速公路系统等大型项目。然而，对四轮转向的研究主要集中在乘用车上，对智能驾驶设备四轮转向底盘的研究较少。近年来，国内许多高校及研究所都在以轮毂电机为基础进行电动汽车的操作性和灵活性的突破。其中香港中文大学和吉林大学都先后开发出了全转向电动汽车实验平台，实现了试验车的原地零半径转向及横向移动，并对其进行了相应的研究，对其进行了360度的转向、侧向运动等方面的试验。但其设计结构所需空间大，调教精度高，满足普通电动车辆的设计需求，无法满足智能驾驶作业设备对于电动载具底盘轻便性及载重性的要求。中科深谷公司设计的四轮驱动四轮转向移动机器人虽然具备良好的灵活性，但是重心高，不利于其他装置的布置。蔚蓝研创公司设计的四轮转向线控底盘采用传统的双横臂结构虽具备四轮转向功能，但是转向角度受限，缺乏灵活性。目前国内全转向载具的开发多进行在控制系统的开发，现代化车间及特殊工况物流载具，多为小型灵活性机器人，并且无悬架结构，只能在平整的铺装路面行驶。小型机器人满足灵活性的同时无法满足载货问题，无法满足无人驾驶作业设备底盘的通用要求。1.3本章小结本次设计主要内容为一种四轮转向电动线控底盘，具备四轮驱动、四轮转向功能，采用线控方式，由电力驱动、轮毂电机的驱动方式，其具备很强的通用性，通过安装不同外设装置从而实现不同功能用途。同时具备较强的灵活性和通过性，可以在复杂街道和拥挤厂房等环境正常工作。第2章整体结构设计与零部件选型根据调研和需求分析，本设计主要内容为一种四轮转向电动线控底盘，具备较好的通用性，通过安装不同外设装置从而实现不同功能用途。为实现此功能需要设计一种新型四轮转向结构，使轮胎附着地面，具备良好的通过性。在悬架末端安装转向支柱，使用带减速装置的伺服电机驱动转向结构。在转向支柱上安装轮胎支架，固定轮毂电机。最后进行材料以及电器元件选型，并进行仿真，使其满足设计要求。2.1市场调研与方案设计针对目前市面上现有相关智能驾驶车辆参数进行调研，详见表2.1。表2.1市场成品车辆参数调研企业产品型号应用场景产品尺寸（m）最大载重最高时速客户美团魔袋2.0及时配送2.45×1.01×1.9100kg45km/h自用京东智能配送机器人4.0快递配送2.15×0.965×1.69200kg30km/h自用智行者WBD-C81快速配送及时配送1.885×0.817×1.22380kg10km/h德邦等行深智能超影800C快速配送及时配送1.715×0.75×1.69200kg20km/h自用、富士康等奔霄8700L工业物流3.2×1.5×1.81000kg40km/h富士康等绝地3000H快速配送及时配送1.88×1.0×1.77500kg40km/h自用、菜鸟等新石器X3配送2.5×1.0×1.7500kg50km/h肯德基、必胜客、京东白犀牛白犀牛及时配送2.5×1.0×1.8500kg25km/h自用一清夸父生鲜配送工业物流3.65×1.56×1.952000kg35km/h富士康、华为、顺丰等夸父mini快递配送无人售货1.77×0.915×1.75300kg30km/h富士康等2.2方案确定调查结果如表2.1，根据调查结果分析确定本次设计四轮转向电动线控底盘的参数。通过市场调研发现智能驾驶相关车辆品牌众多，市场前景好，进一步印证了设计需求。根据市面现有相关车辆综合分析，确定本次设计车辆整体尺寸参数为2m×1m×0.5m左右，最大载重在400kg左右，最高时速为8km/小时左右。主要工作环境为学校、街道、厂房等。本次设计考虑成品落地、成本、加工能力等因素，首选材料为钢，备选材料为铝合金，涉及量产时考虑铸铁材料。确定本次设计整车参数如表2-2所示，整体结构如图2-1所示。表2.2整车设计参数项目参数名称四轮转向电动线控底盘满载质量（kg）600最高行驶速度（km/h）8制动方式电刹车+机械制动续航里程（km）150整车尺寸（mm）2100×1100×510最大载重量（kg）400最大爬坡度10%驱动方式电动轮毂电机驱动使用场景街道、厂房1-车架顶板；2-车架；3-悬架支架；4-悬架横臂；5-减震器；6-轮毂电机；7-车轮支架；8-转向柱支架；9-带减速步进电机；10-转向支架；11-制动器；图2-1整车方案示意图如图2-1所示，整车由车架部分（1、2）、悬架部分（3、4、5）、转向部分（7、8、9、10）、制动部分（11）和行走部分（6）构成。车架负责承载连接各部分，悬架部分负责跳动、减震。行走部分由轮毂电机构成，提供前进力。2.3车架设计及仿真分析2.3.1车架设计根据以上综合分析，车架作为主体部分，将其他部分结构连接到一起，并承载作业设备。因此，车架设计作为整体设计方案的设计内容。车架具备可拆卸顶板，方便内部设备的安装和调试，车架内安装动力电池、控制器等其他装置，具备高度集成性。考虑实际成品落地以及已具备的制造设备和加工工艺，本次车身材料主要为钢板（根据市场成品钢板的厚度，以及市场调研情况，初步选定4mm厚度），用Fusion360软件进行三维设计和建模，如图2-2所示。1-车架底盘；2-可拆卸顶板图2-2车架及可拆卸顶板示意2.3.2车架仿真分析验证（1）条件设置1）受力设置受力点为可拆卸顶板上端面，受力为4000N，方向竖直向下。2）约束设置固定约束为每个悬架支架固定的六个螺栓孔。3）材料选择40号钢、铝合金、铸铁。（2）验证分析车架钢材料、铝合金材料和铸铁材料的仿真分析界面如图2-3、2-4和2-5所示，三种材料车架的安全系数最小值、应力最大值、位移最大值的仿真结果见表2.3。图2-3车架钢材料仿真分析界面图2-4车架铸铁材料仿真分析界面图2-5车架铝合金材料仿真分析界面表2.3车架不同材料相关特性材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）钢4.36947.381.62铸铁3.07449.354.254铝合金5.94846.234.874经过仿真结果分析，车架使用钢材料完全满足设计安全要求，其最小安全系数满足设计安全标准。如考虑量产时使用铸铁材料，需重新进行结构优化，或者使用较高级别铸铁材料，从而保证车身强度。2.4零部件选型2.4.1轮毂电机选型设计参数：车辆设计总质量600kg，最高行驶速度8km/h，最大爬坡度10%。工作环境：正常天气下沥青路面滚动阻力系数f为0.02，忽略空气阻力。（1）最高车速（8km/h)匀速行驶选定的单个轮毂电机额定功率：G=mg式（2-1）F驱=Ffp额=1（2）在车速1km/h，坡度5.7°(10%)条件下，选定的单个轮毂电机额定功率：p额=1式中：m—负载质量，kg；g—重力加速度，9.8m/s²；G—负载重力，N；f—地面滚动阻力系数；F驱—驱动力，NP—电机额定功率，kW；V—速度，km/h；Ƞ—传递效率（取90%）；α—坡道角度，°。转速计算：n=v∙1000∙i2Πr∙60=169.85rpm式（式中：n，电机转速，单位rpm；v，车速，单位km/h；i，传动系统传动比；r，驱动轮的滚动半径，单位为m。本设计选择中菱科技伺服轮毂电机，如图2-6所示，该电机参数如下表2.4所示。图2-6轮毂电机实物图表2.4轮毂电机参数项目参数型号ZLLG10ASM800-RV2.0双轴外径尺寸253mm额定电压48VDC额定功率800W最高转速180rpm建议负载300kg（双轮）额定扭矩20N•m刹车方式电刹车额定电流8.5A2.4.2转向电机选型整车满载质量600kg，单个轮胎承载150kg，在干燥沥青路面静摩擦系数0.6。Ff=mgf=882N式（2-6T=Ff∙S=13.23N·m式（2-7）式中：Ff—地面摩擦力，N；m—负载质量，kg；g—重力加速度，9.8m/s²；f—地面摩擦系数；T—转向所需最大扭矩，N·m；S—转向轴半径，m。本次设计选择带减速步进电机作为转向电机，如图2-7所示，其参数如下表2.5所示。图2-7带减速步进电机实物图表2.5转向电机参数项目参数最大扭矩15N·m步距角1.8°额定电流3A引线数42.4.3减震器选型整车满载质量600kg，单个悬架部分承载150kg。通过市场调查，了解到某品牌的减震器型号，其安装空位长度有250mm、270mm、290mm、310mm，因此留给设计安装的长度范围为250mm-310mm。选定的减震器如图2-8所示，其参数见表2.6。图2-8减震器实物图表2.6减震器参数项目参数孔距270mm额定载重180kg2.4.4电池选型本次设计的最高车速为8km/h，续航里程为150km。下面计算电池参数。（1）行驶功率PePe=Pf+Pw=fG式中：Pe—匀速行驶所需功率，kwf—滚动阻力系数，取0.02；G—重力，N；v—行驶速度，km/h；CD—空气阻力系数，取0.4。（2）所需电池总能量计算EB=1Ƞ1VsPe=5.42kw式中：EB—电池总能量，kw·h；s—续航里程，km；Ƞ—传递效率，取0.9。根据计算结果和市场调研结果选择适用于无人配送车、智能机器人、无人物流车等小型车辆的磷酸锂电池，电池实物图如图2-9所示，其主要参数见表2.7。表2.7电池参数项目参数产品型号IYP-48V150AH-A3电池类型磷酸锂电池标称电压（v）48标称容量（Ah）150电池重量（kg）58最高电压（v）54.6最低电压（v）37.5电池尺寸（mm）680×465×160图2-9电池实物图（3）已选定电池的总能量计算EB=11000U∙Q=7.2kw∙h式（式中：U—电池额定电压，V；Q—电池标称容量，Ah。经计算比较电池总能量发现，此电池满足设计续航里程需求。2.5本章小结本章通过市场调研和结构分析等方法确定了整车的基本参数，并进行了车架的设计和结构仿真，然后通过计算完成了轮毂电机、转向电机、减震器、电池关键部件的选型。第3章悬架设计3.1悬架型式选择3.1.1悬架组成与功能悬架是汽车构造中的一个重要组成部分，其可以保证乘坐的舒适性，它将车轮和车架有效连接在一起，作为两者之间的传力桥梁，也是保证车辆安全驾驶的关键组成部分，同时关乎着车辆的各种性能。悬架一般包括减震器、弹性元件、导向机构等。（1）减震器减震器是主要的阻尼元件。其主要功能是使汽车的振动迅速减小，使汽车的乘坐舒适度得到改善，并增加了车轮与路面的附着性。另外，阻尼器的另一功能是减少汽车的动态负荷，延长汽车的寿命。目前，汽缸式液压阻尼器已被广泛地用于车辆，其结构可分为三类：双管式、单筒式和双筒式。（2）弹性元件利用材料的弹性与结构特性，实现不同的功能，即弹性元件，它的作用是支持汽车的纵向负载，以减轻由于道路不平造成的震动。（3）导向机构导引装置主要用于传递力、力矩，并起到引导的作用，使车辆在行驶中，能对车轮的运动轨迹进行有效的控制，确保行车安全。3.1.2悬架型式分析悬架整体分为独立悬架和非独立悬架。（1）独立悬架两侧车轮通过悬挂安装在车架或车身下方，这样的悬挂方式称为独立悬架，其优点是重量较轻，可以减少对车身的冲击，提高车轮对地面的附着力；独立悬架也有一些缺点存在，其设计构造复杂，投入成本高，后期维修不便等。1）横臂独立悬架：车轮在汽车的横向方向上摇摆的一个独立悬挂装置。根据横臂的数量，可以分成双横臂悬架和单横臂悬架。目前，这种悬挂系统在车辆的前后悬挂系统中得到了广泛的应用，在某些跑车、赛车的后轮上也得到了广泛的应用。2）多连杆独立悬架：这种悬挂装置能使车轮围绕汽车的纵轴转动，并与汽车的纵向轴线形成一定的倾角。它是横向和纵向两种结构的权衡，能够适应各种性能的需要。但它也有其不足之处，即当汽车在高速行驶时，会发生车轴的摆动。3）烛式独立悬架：该悬架系统的特点是改善车辆的操控、行驶和转向的稳定性。不过，所有的侧向力都集中在了轴套和主销上，两者的摩擦力很大，导致了严重的磨损。4）麦弗逊式悬架：是横臂悬架和烛式悬架的组合，目前前置前驱汽车和一些轻型客车应用的较为普遍。麦弗逊悬架比双横臂悬架结构紧凑，操纵稳定性好；但需要设计得当，否则将严重影响车辆的稳定性。（2）非独立悬架两个轮子是由一根车轴相连的，它的轮子和车轴是用弹性悬架悬挂在车架或车体下面的，这就是非独立悬架。1）钢板弹簧式非独立悬架：运行可靠、维修方便、结构简单。只能应用到非独立悬架上，而且重量大，舒适性能差，不便于缩短车辆的前后悬架之间的距离。2）螺旋弹簧式非独立悬架：与上述结构相比，螺旋弹簧式占用的垂直空间较小，而且弹簧本身质量很轻，但螺旋弹簧本身没有阻尼效果，需在螺旋弹簧悬架中安装减震器。3.1.3本节小结如前所述，车辆的悬架的性能很大程度上关乎车辆的行驶平顺性，进一步会影响到车辆的行驶速度、续航能力以及运营经济性，同时，悬架对整车的操纵稳定性有着一定的作用，因此在设计悬架的过程中需要考虑一些几个方面的要求：通过合理设计悬架的弹性性能和阻尼特性从而保证车辆有良好的行驶的平顺性、操纵稳定性以及保证车轮对地面有良好的附着力。悬架构件质量较小，结构设计合理，便于布置；所有的零部件应该具有足够的强度和使用寿命。投入成本低，便于维修和保养。结构简单，需有利于转向部分的布置。综上所述，本次四轮转向电动线控底盘选择双横臂式独立悬架，该结构满足设计的各项要求，可以更好的完成车辆的使用性能。本次选用的双横臂独立悬架由悬架支架、横臂组成。1-悬架支架；2-悬架横臂；3-轮边部分图3-1悬架总成示意图3.2横臂设计横臂对“A”字型结构重新优化设计，结构稳定、承载性强，每个悬架部分包括上横臂和下横臂，共有四个安装位置，分别与悬架支架和转向支架连接（详细结构见图3-3）。图3-2传统双A臂结构1-悬架横臂主体；2-与悬架支架连接部分；3-与转向支架连接部分图3-3设计后横臂示意图3.3悬架支架设计如图3-4所示：悬架支架由六枚螺栓通过安装孔（3）固定在车身上，分别有上横臂（2）、下横臂（1）、减震弹簧安装位置（4），并使用了轻量化的设计。1-下横臂安装位置；2-上横臂安装位置；3-固定车身螺栓孔；4-减震器安装孔图3-4设计后悬架支架示意图3.4轮边设计鉴于本车转向为四轮转向，轮边结构在转向部分进行设计。（见第4章）3.5本章小结本章的主要设计内容为悬架结构的设计，首先通过纵向和横向对比不同悬架类型的优缺点，对现有悬架结构进行分析，然后结合本次设计需求，选择符合要求的悬架结构，最后根据相关参数对零部件进行设计建模。第4章四轮转向系统设计4.1四轮转向结构分析四轮转向是指后轮与前轮同样具备一定的操纵能力。它不但能和前轮在同一方向上旋转，也能在相反的方向上旋转。其主要目标是改善车辆在高速、侧向风向下的驾驶稳定性，改善低速驾驶时的操控性，使车辆在高速行驶中从一条车道向另一条车道进行机动调节，并减少转向时的转弯半径[14]。四轮转向系统可以使汽车在转向时的重心侧偏角基本不变，提高了汽车对方向盘的动力响应，提高了汽车的横向和横向加速的瞬态响应，提高了汽车在高速状态下的稳定性。在高速转向过程中，四轮转向系统可以实现前后两个车轮的同步转向，可以有效地减少侧滑事故的发生，提高汽车在高速上的稳定性和安全性，从而减轻驾驶员在不同路况下的高速驾驶时的疲劳。在低速行驶时，由于前后车轮的反向，汽车的转弯半径可以有效减少。四轮转向技术使得大型汽车拥有与小型汽车一样的操控和行车灵活性。同时，该系统还可提高拖车的承载能力，使其在转向后轴上进行转向和牵引，使操纵的操纵性、稳定性和安全性得到显著提高[15]。4.1.1传统双横臂四轮转向结构该系统采用了传统的双横臂悬挂系统，前后采用相同的转向结构，在低速行驶时，前后轮反向转动。高速行驶时，前后轮同向转动，既增强车辆的灵活性，又能增强车辆在高速行驶时的稳定性。但它的不足之处在于转向角度受到限制，而且它占用了空间，也会影响到底盘内部其它结构的布局。图4-1蔚蓝研创智能线控底盘4.1.2刚性全向转向结构每个车轮单独采用转向电机驱动，使得任意轮胎可以做到任何角度旋转，很大程度上提高了车辆的灵活性，并且可以做到横向移动。缺点是由于纵向布置转向机构及转向驱动电机，因此，所占纵向布置空间大。同时不具备悬架结构，轮胎不能跳动，地面附着性能差，无滤震功能，对道路要求高，在较差路况行驶能力差，并且，强烈震动可能会影响所搭载的设备仪器工作。图4-2吉林大学全转向独立线控试验车4.1.3行星轮式转向结构类似于传统的转向结构，每个轮胎由一个转向电机单独驱动，转向结构同时承担纵向承载力和横向转向力，结构上承载性较差。同时，转向结构高度低，距离轮胎距离小，容易受到行驶时灰尘和水汽污染，影响转向结构工作和转向电机寿命，并且没有悬架结构，地面附着性能差，无滤震功能，对道路要求高，在较差路况行驶能力差，同时，强烈震动可能会影响所搭载的设备仪器工作。图4-3西南交通大学新型全转向系统4.1.4特种轮胎在传统车辆结构上安装麦克纳姆轮胎或者全向轮胎，通过单独控制每个轮胎的转向和转速，因此达到控制车辆方向的目的。缺点是这种轮胎对道路要求高，在较差路况上行驶时稳定性差，同时，这种轮胎承载性差，过大承载会加剧轮胎磨损，影响轮胎寿命，因此这种轮胎多用于小型机器人上，并且，使用这种轮胎造价高，成本大。图4-4麦克纳姆轮与全向轮胎4.1.5本节小结通过对目前的四种具有代表性的四轮转向结构的综合分析，结论是还没有一种较为成熟的四轮转向结构适用于本次设计的线控底盘，每种结构各有优缺点，因此需要参考现有四轮转向结构。针对本次设计的电动线控底盘设计新的四轮转向结构，新结构综合每种四轮转向结构的优缺点，更加适合本次设计需求。下面进行全新的四轮转向结构设计。4.2四轮转向结构设计如图4-5所示，四轮转向结构由转向支架、转向柱支架、车轮支架组成。其中，转向支架吊耳与悬架横臂连接，转向柱支架和转向支架通过四颗螺栓固定在一起，车轮支架通过轴承安装在转向柱支架上，并且以转向柱为轴心可以自由旋转。1-转向柱支架；2-转向支架；3-车轮支架；4-车轮轮轴安装孔；5-悬架安装吊耳图4-5转向总成示意图4.3转向支架设计结构如图4-6所示，转向支架负责连接悬架和转向部分，它由四个吊耳（1）和一块固定板构成，四个吊耳与上横臂和下横臂通过轴连接，上横臂和下横臂可以绕轴转动，固定板上设计四个螺栓孔（2）连接转向柱支架（如图4-7所示）。1-悬架横臂连接吊耳；2-转向柱支架固定螺栓孔图4-6设计后转向支架示意图4.4转向柱支架设计转向柱支架如图4-7所示，负责安装车轮支架和转向电机，侧面设计4个通孔，通过四个螺栓安装在转向支架（如图4-6）上，中间通孔（2）安装轮胎支架（如图4-8）。1-转向支架安装螺栓通孔；2-车轮支架安装孔图4-7设计后转向柱支架示意图4.5车轮支架设计车轮支架结构如图4-8所示，负责安装车轮，由四部分组成：左支臂、右支臂、支撑板、转向柱。上端转向柱通过轴承与转向柱支架（如图4-7）连接，通过转向电机驱动转动。1-转向柱；2-车轮支架支撑板；3-连接螺栓孔；4-左支臂；5-右支臂；6-车轮轮轴安装孔图4-8设计后车轮支架示意图4.6制动器设计现有采用轮毂电机驱动的车辆无机械制动结构，采用轮毂电机反拖的的方式来达到制动效果，这种制动方式的缺点是制动需要消耗大量电能、影响蓄电池和电机性能，同时，在驻车时无驻车制动，具有一定的安全隐患。因此本设计采用门型制动器（如图4-9）的制动方式，在行车制动时辅助制动，在驻车时提供驻车制动。制动器由左支臂、右支臂、摩擦片、制动拉线组成。其中，制动拉线由制动电机牵引完成线控制动。1-制动摩擦片；2-制动臂；3-制动拉线图4-9设计后制动器示意图4.7结构虚拟装配和运动干涉分析本次设计选用Fusion360进行三维设计建模、零部件装配、运动副设置和运动干涉分析。4.7.1悬架运动干涉分析悬架部分干涉分析主要研究悬架支架、悬架横臂、转向支架之间相对运动时的互相干涉，仿真步骤如下（仿真界面如图4-10）：（1）通过前面建立的模型进行装配；设置运动副；设置相关参数；进行检验功能里的干涉分析；得到的结果是，悬架部分无干涉情况，设计结构可行。图4-10Fusion360进行悬架部分干涉分析界面

4.7.2转向干涉分析采用以上相同的操作步骤，对转向部分中的车轮支架、转向柱支架和转向支架在相对运动时进行干涉分析（如图4-11），操作步骤如下：通过前面建立的模型进行装配；设置运动副；设置相关参数；（4）进行检验功能里的干涉分析；得到的结果是，转向部分无干涉情况，设计结构可行。图4-11Fusion360进行转向部分干涉分析界面4.8本章小结本章的主要设计内容为四轮转向系统的设计，首先对已存在的四轮转向结构进行分析，比较不同结构之间的优缺点和适用工况，结合本次设计需求对转向结构进行创新设计，然后根据相关参数进行设计建模。建模完成后进行简单装配，使用软件进行部件之间的干涉分析。第5章主要零部件仿真分析以上完成结构设计，下面对相关部件的强度进行有限元仿真分析。有限元模拟分析可以快速、低成本地对不同类型的数字样机进行选择和设计。有限元方法的一个优势就是能够在制造出原型之前，通过计算得到的应力，来预测哪个部位会最先发生故障，哪个部位会在更大的载荷下发生故障。在实际样机中，采用适当的有限元分析方法，可以在模拟模式下进行设计迭代。安全系数可以评价结构在不同工况下的稳定性以及安全性，与生产制造以及结构应用有着密切的关系。形变位移可以体现零部件在特定工况下每部分在受力是的形变情况，通过位移的仿真分析可以明显的体现出零部件哪一部分较为薄弱。由于材料的非均匀性和微观裂纹的出现，使其产生应力集中，从而形成并扩展宏观裂纹，直至发生断裂。5.1仿真工具软件的选择本次设计使用的仿真软件为Autodesk公司的Fusion360设计软件，Fusion360为集成式CAD、CAM、CAE和PCB软件，软件设计界面如图5-1所示。图5-1软件设计界面Fusion360同时具备设计、仿真、制造、电气设计功能，功能齐全、界面友好、操作逻辑便于理解，容易上手操作。同时，采用云端协同工作方式，在复杂工作时将作业上传至云端，使用云端算力，很大程度上增加作业时的处理运算能力，同时节省本地电脑资源。图5-2软件动画制作界面图5-3软件仿真分析界面5.2悬架支架仿真分析5.2.1悬架支架仿真分析条件设置（1）受力设置受力点为四个横臂连接点和减震器安装孔，受力为1800N，方向竖直向上。（2）约束设置固定约束为六个螺栓孔。（3）材料选择40号钢。仿真分析结果如图5-5、5-6和5-7所示，悬架支架的安全系数、部分位移、部分应力三个关键参数的仿真结果见表5.1。图5-5悬架支架安全系数仿真分析界面图5-6悬架支架部分形变仿真分析界面图5-7悬架支架部分应力仿真分析界面表5.1悬架各特性参数仿真结果材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）钢155.1390.0018595.2.2仿真结论由仿真结果可知，设计的悬架支架的安全系数最大值为15，最小值为15。完全符合设计安全标准。在零部件形变上，根据仿真结果可以得知最大形变处的位移为0.001859mm，符合设计标准。在应力上最大受力点所受应力为5.139MPa，在特定工况下满足强度要求，符合设计标准。5.3悬架横臂仿真分析5.3.1悬架横臂仿真分析条件设置（1）受力设置受力点为悬架与转向支架连接处固定孔，受力大小1800N，方向竖直向上。（2）约束设置固定约束为与悬架支架连接处固定孔。（3）材料选择40号钢。悬架横臂的安全系数、部分位移、部分应力三个关键参数的仿真结果见表5.2，仿真分析结果如图5-8、5-9和5-10所示。表5.2横臂各特性参数仿真结果材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）钢3.25763.560.1442图5-8悬架横臂安全系数仿真分析界面图5-9悬架横臂形变仿真分析界面图5-10悬架横臂应力仿真分析界面5.3.2仿真结论通过仿真，得出了悬架横臂的最大安全系数为15，最小安全系数为3.257，最小安全系数达到设计的指标。在特定工况下，悬架横臂形变处最大位移为0.1442毫米，最大形变程度处的位移量符合设计标准。悬架横臂所受应力最大部分的应力为63.56MPa，所受应力略高，但是在安全范围内，整体符合安全标准。5.4转向支架仿真分析5.4.1转向支架仿真分析条件设置（1）受力设置受力点为转向柱支架固定螺栓孔处，受力大小1800N，方向竖直向上。（2）约束设置固定约束为与横臂连接处吊耳。（3）材料选择40号钢。仿真分析结果如图5-11、5-12、5-13和表5.3所示。图5-11转向支架安全系数仿真分析界面图5-12转向支架应力仿真分析界面图5-13转向支架形变仿真分析界面表5.3转向支架各特性参数仿真结果材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）钢6.46732.010.0076375.4.2仿真结论转向支架的安全系数、部分位移、部分应力三个关键参数的仿真结果见表5-3。根据仿真结果可知，转向支架的最大安全系数为15，最小安全系数为6.467，最小安全系数达到设计要求。在特定工况下，转向支架形变处最大位移为0.007637毫米，最大形变程度处的位移量符合设计标准。转向支架所受应力最大部分的应力为32.01MPa，所受应力在安全范围内，整体符合安全标准。5.5转向柱支架仿真分析5.5.1转向柱支架仿真分析条件设置（1）受力设置受力点为转向柱安装孔下轴承座端面，受力大小为1800N，方向竖直向上。（2）约束设置固定约束为与转向支架连接螺栓孔处。（3）材料选择40号钢。仿真分析结果如图5-14、5-15和5-16所示，转向柱支架的安全系数、部分位移、部分应力三个关键参数的仿真结果见表5.4。图5-14转向柱支架安全系数仿真分析界面图5-15转向柱支架应力仿真分析界面图5-16转向柱支架形变仿真分析界面表5.4转向柱支架各参数特性仿真结果材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）钢157.9750.000385.5.2仿真结论根据仿真结果可知，转向柱支架的最小安全系数为15，达到设计要求标准。在特定工况下，转向柱支架形变处最大位移为0.00038毫米，最大形变程度处的位移量符合设计标准。转向柱支架所受应力最大部分的应力为7.975MPa，所受应力在安全范围内，整体符合安全标准。5.6车轮支架仿真分析5.6.1车轮支架仿真分析条件设置（1）受力设置受力点为车轮轮轴安装孔上端面，受力大小为1800N，方向竖直向上。（2）约束设置固定约束为与转向柱支架连接轴承轴肩处。（3）材料选择40号钢。车轮支架的安全系数、部分位移、部分应力三个关键参数的仿真结果见表5.5，仿真分析结果如图5-17、5-18和5-19所示。表5.5车轮支架各参数特性仿真结果材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）钢1020.670.02435图5-17车轮支架形变仿真分析界面图5-18车轮支架应力仿真分析界面图5-19车轮支架安全系数仿真分析界面5.6.2仿真结论根据仿真结果可知，车轮支架的最小安全系数为10，达到设计要求标准。在特定工况下，车轮支架形变处最大位移为0.02435毫米，最大形变程度处的位移量符合设计标准。转向柱支架所受应力最大部分的应力为20.67MPa，所受应力在安全范围内，整体符合安全标准。5.7其他材料仿真分析鉴于考虑量产，用以上仿真手段进行其他材料仿真，具体仿真过程忽略，仿真结果见下图。图5-20悬架支架铸铁材料仿真分析界面图5-21悬架支架铝合金材料仿真分析界面图5-22悬架横臂铸铁材料仿真分析界面图5-23横臂铝合金材料仿真分析界面图5-24转向支架铸铁材料仿真分析界面图5-25转向支架铝合金材料仿真分析界面图5-26转向柱支架铸铁材料仿真分析界面图5-27转向柱铝合金材料仿真分析界面图5-28车轮支架铸铁材料仿真分析界面图5-29车轮支架铝合金材料仿真分析界面表5.6悬架支架不同材料相关特性材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）铸铁155.2810.004721铝合金155.070.005702表5.7悬架横臂不同材料相关特性材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）铸铁2.29366.140.3691铝合金4.32163.640.4405表5.8转向支架不同材料相关特性材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）铸铁4.3135.20.01937铝合金9.0330.450.02344表5.9转向柱支架不同材料相关特性材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）铸铁158.4770.000904铝合金157.7370.001168表5.10车轮支架不同材料相关特性材料安全系数最小值应力最大值（MPa）位移最大值（mm）铸铁7.25520.910.06381铝合金13.3420.610.07352分析表5.6到表5.10的仿真结果可知，钢材料和铝合金材料适用于所有结构的设计强度要求，如果投入量产考虑铸铁材料的情况，需对部分结构进行优化，或者使用高标准的铸铁材料。5.8本章小结本章的主要内容为主要零部件的静载荷仿真分析，从而检验所设计的结构和选择的材料是否符合设计要求，通过分析仿真结果，可以得到所有零件的设计均符合要求