可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)向角的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

季從東，葛如海，王 斌，劉德仿

(1. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 鹽城工學(xué)院 優(yōu)集學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

由車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成的微型電動(dòng)車輛，兼?zhèn)潆妱?dòng)汽車和全方位輪式移動(dòng)機(jī)器人的特征，具有零半徑原地轉(zhuǎn)向、沿任意方向的平移、繞任意設(shè)定點(diǎn)轉(zhuǎn)向等高度的機(jī)動(dòng)性[1-2]，不僅能適應(yīng)各種復(fù)雜狹小道路工況下的靈活行駛，還兼?zhèn)涓咚龠\(yùn)載工具的實(shí)用性，在車輛高速操穩(wěn)性和主動(dòng)安全性方面也有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)獨(dú)立轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要發(fā)展方向，2005年，豐田汽車在東京國際汽車展上展示了一輛四輪線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向的燃料電池電動(dòng)輪汽車“Fine-X”，各電動(dòng)輪均采用了大轉(zhuǎn)向角的線控獨(dú)立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)等[3-4]。國內(nèi)對(duì)大角度轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車已有研究[5-8]，但都是基于輪轂電機(jī)的基礎(chǔ)上，采用輪轂電機(jī)會(huì)增大非簧載質(zhì)量，影響了汽車的行駛平順性。筆者針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種可實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向的電動(dòng)汽車獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)汽車的大角度轉(zhuǎn)向，而且采用輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能有效地降低電動(dòng)汽車的非簧載質(zhì)量，提高了整車的行駛平順性。

1 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

某電動(dòng)車的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)見圖1。機(jī)構(gòu)采用不等長雙橫臂懸架、輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它包括車輪、錐齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、主銷、上橫臂、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)、下橫臂和制動(dòng)鉗等。其中上橫臂的一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸與車架連接，另一端通過球鉸與主銷上端連接；下橫臂的一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸與車架連接，另一端通過轉(zhuǎn)動(dòng)鉸與主銷套筒連接。主銷套筒空套于主銷上，主銷通過螺栓固定于支架上，支架通過軸承空套于大錐齒輪軸上，大錐齒輪軸與車輪固定連接。傳動(dòng)錐齒輪空套于主銷上，大錐齒輪與大錐齒輪軸固定連接且兼起制動(dòng)盤的作用，蝸輪固定于主銷上，小錐齒輪和蝸桿均通過固定于主銷套筒上的定位裝置定位。由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)固定于車架上，大大降低了電動(dòng)汽車的非簧載質(zhì)量；大錐齒輪兼起制動(dòng)盤的作用，不僅進(jìn)一步降低了非簧載質(zhì)量，而且簡(jiǎn)化了車輪的結(jié)構(gòu)。

圖1 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意Fig.1 The diagram of the independent drive mechanism

1—車輪；2—大錐齒輪；3—蝸輪；4—主銷；5—傳動(dòng)錐齒輪；6—支架；7—上橫臂；8、10—萬向傳動(dòng)軸；9—驅(qū)動(dòng)電機(jī)；11—轉(zhuǎn)向電機(jī)；12—定位裝置；13—下橫臂；14—主銷套筒；15—制動(dòng)鉗；16、17—轉(zhuǎn)動(dòng)鉸；18—小錐齒輪；19—球鉸；20—虎克鉸；21—蝸桿

汽車行駛時(shí)，駕駛員踩動(dòng)驅(qū)動(dòng)踏板，驅(qū)動(dòng)踏板處的位移傳感器將位移信號(hào)發(fā)送給控制器，控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，經(jīng)萬向傳動(dòng)軸、小錐齒輪、傳動(dòng)錐齒輪和大錐齒輪驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)汽車行駛，安裝于車輪上的轉(zhuǎn)速傳感器和安裝于大錐齒輪軸上的力矩傳感器將實(shí)時(shí)信號(hào)反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制。汽車轉(zhuǎn)向時(shí)，駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，安裝于方向盤上的力矩傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信號(hào)發(fā)送給控制器，控制器通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩，經(jīng)萬向傳動(dòng)軸、蝸桿和蝸輪，驅(qū)動(dòng)主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，主銷帶動(dòng)車輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向，安裝于主銷處的轉(zhuǎn)角傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器將實(shí)時(shí)信號(hào)反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制?？刂破鞲鶕?jù)反饋信號(hào)，控制安裝于方向盤處的路感電機(jī)輸出相應(yīng)的回正力矩，使駕駛員得到合適的“路感”。

2 驅(qū)動(dòng)錐齒輪的設(shè)計(jì)

根據(jù)該電動(dòng)汽車的動(dòng)力性要求，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一般轉(zhuǎn)速范圍，經(jīng)計(jì)算后，取電動(dòng)汽車傳動(dòng)比i0=4，綜合考慮車輪的結(jié)構(gòu)和尺寸，為避免干涉，選取大錐齒輪的大端節(jié)圓直徑為250 mm，模數(shù)為2.5，則大錐齒輪齒數(shù)為100，因此小錐齒輪齒數(shù)為25，大于不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)17，滿足設(shè)計(jì)要求。考慮到相互嚙合齒輪的齒數(shù)互質(zhì)的原則，取傳動(dòng)錐齒輪的齒數(shù)為51。考慮到車輪定位參數(shù)對(duì)整車平順性的影響，取主銷內(nèi)傾角為8°。圖2為各錐齒輪嚙合關(guān)系圖，由圖2可確定各錐齒輪的節(jié)錐角。表1為各錐齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖2 錐齒輪嚙合關(guān)系Fig.2 The diagram of bevel gear meshing relationship

齒輪名稱小錐齒輪傳動(dòng)錐齒輪大錐齒輪大端節(jié)圓直徑/mm62.5127.5250.0齒數(shù)/個(gè)2551100節(jié)錐角/(°)13.528.569.5模數(shù)/mm2.52.52.5齒寬/mm151515

3 汽車轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制分析

當(dāng)電動(dòng)汽車4個(gè)車輪均采用上述機(jī)構(gòu)時(shí)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)轉(zhuǎn)向，還可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向、平移運(yùn)動(dòng)和異向轉(zhuǎn)向等轉(zhuǎn)向模式(圖3)。但汽車在行駛過程中進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，為避免發(fā)生干涉，需合理控制轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。令小錐齒輪與傳動(dòng)錐齒輪之間的傳動(dòng)比為i1，傳動(dòng)錐齒輪與大錐齒輪間的傳動(dòng)比為i2，且令蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)比為i，以下以汽車右轉(zhuǎn)向?yàn)槔瑢?duì)各種轉(zhuǎn)向模式進(jìn)行分析。

圖3 各種轉(zhuǎn)向模式Fig.3 Several steering modes

3.1 常規(guī)轉(zhuǎn)向

如圖3(a)，常規(guī)轉(zhuǎn)向只需控制左、右前輪兩個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)，使兩輪轉(zhuǎn)向角符合阿克曼原理即可。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制以汽車的左前輪為例進(jìn)行分析：假設(shè)電動(dòng)汽車以速度u0行駛時(shí)，汽車進(jìn)行轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向前，車輪的行駛轉(zhuǎn)速為n0，傳動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)速為n0·i2，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n0·i2·i1。汽車轉(zhuǎn)向的某一瞬時(shí)，假設(shè)車輪繞主銷的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為n，則轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n·i。此時(shí)，大錐齒輪繞主銷順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，若驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，必會(huì)引起車速的變化，但由于汽車的慣性，此時(shí)車輪的行駛轉(zhuǎn)速仍為n0。因此，為避免轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工作過程中發(fā)生干涉，需將傳動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)速降低為(n0·i2-n)，即將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低為(n0·i2-n)·i1。同理，假設(shè)汽車右前輪繞主銷的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為n1，為避免發(fā)生干涉，則需將傳動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)速增大為(n0·i2+n1)，即將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速增大為(n0·i2+n1)·i1。

3.2 原地轉(zhuǎn)向

汽車原地轉(zhuǎn)向如圖3(b)，首先在汽車靜止時(shí)，由各轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)到所需轉(zhuǎn)角，然后轉(zhuǎn)向電機(jī)停止工作，由各車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，左側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，右側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)汽車順時(shí)針的原地轉(zhuǎn)向。

3.3 平移運(yùn)動(dòng)

如圖3(c)，汽車的平移運(yùn)動(dòng)需4個(gè)車輪同向偏轉(zhuǎn)。當(dāng)汽車由靜止進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)時(shí)，可先由轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)到所需轉(zhuǎn)角，再由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)各車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平移。當(dāng)汽車由某一車速行駛時(shí)開始進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)時(shí)，各驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制可參照常規(guī)轉(zhuǎn)向模式，左側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制與常規(guī)轉(zhuǎn)向時(shí)的左前輪相同，右側(cè)車輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制與常規(guī)轉(zhuǎn)向時(shí)的右前輪相同。

3.4 異向轉(zhuǎn)向

汽車的異向轉(zhuǎn)向如圖3(d)，兩前輪向右偏轉(zhuǎn)，兩后輪向左偏轉(zhuǎn)。汽車在行駛過程中進(jìn)行異向轉(zhuǎn)向時(shí)，兩前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制與常規(guī)向右轉(zhuǎn)向時(shí)前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制相同，兩后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制與常規(guī)向左轉(zhuǎn)向時(shí)前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制相同。

4 三維建模及在NX中的仿真分析

4.1 仿真干涉分析

在NX軟件中建立三維模型進(jìn)行了仿真干涉分析，仿真結(jié)果表明，在車輪驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向及上下跳動(dòng)過程中，車輪、主銷、懸架、蝸輪蝸桿減速器及錐齒輪減速等各零部件之間并未發(fā)生干涉。圖4為車輪最大轉(zhuǎn)角時(shí)三維模型在汽車縱向的視圖和垂向的視圖，由圖4可知，車輪的最大轉(zhuǎn)角接近±90°。

圖4 最大轉(zhuǎn)角時(shí)三維模型的縱向及垂向視圖Fig.4 3D model of longitudinal view and vertical view with the maximumsteering angle

4.2 轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制仿真分析

一般情況下，轉(zhuǎn)向車輪的最高轉(zhuǎn)向速度約為4～10 r/min，即24～60(°)/s。以左前輪向右轉(zhuǎn)向?yàn)槔瑘D5為仿真中對(duì)車輪施加的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，其中1～3 s為車輪向右轉(zhuǎn)向，4～6 s為轉(zhuǎn)向結(jié)束后的車輪回正。

圖5 車輪轉(zhuǎn)向速度曲線Fig.5 The curve of wheel steering speed

為使仿真結(jié)果更加直觀，筆者選取的車輪行駛轉(zhuǎn)速接近車輪轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速，取100(°)/s。根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的理論分析可知，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理論轉(zhuǎn)速曲線如圖6。

圖6 轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的理論曲線Fig.6 The theory curve of the drive motor rotation speed when steering

對(duì)蝸輪施加轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)：step(0,0,1,0)+step(1,0,2,60)+step(2,60,3,0)+step(3,0,4,0)+step(4,0, 5,-60)+step(5,-60,6,0)+step(6,0,7,0)，對(duì)車輪施加恒定的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)：100(°)/s。

仿真后所得的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖7，與圖6的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的理論曲線吻合，驗(yàn)證了上述驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制理論分析的正確性。

圖7 轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真曲線Fig.7 The simulation curve of the drive motor rotation speed when steering

5 結(jié) 論

1)提出了一種可實(shí)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向的電動(dòng)汽車獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其最大轉(zhuǎn)向角接近±90°，而且此機(jī)構(gòu)采用輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大錐齒輪兼起制動(dòng)盤的作用，降低了電動(dòng)汽車的非簧載質(zhì)量，提高了整車的行駛平順性。

2)對(duì)采用此機(jī)構(gòu)的電動(dòng)汽車在不同轉(zhuǎn)向模式下的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行了理論分析，并采用NX進(jìn)行了三維幾何干涉分析，通過仿真分析驗(yàn)證了理論分析的正確性。

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