大角度轉(zhuǎn)向電動汽車懸架與轉(zhuǎn)向系設(shè)計

馮乾隆，宋偉萍，南友飛，任田園

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大角度轉(zhuǎn)向電動汽車懸架與轉(zhuǎn)向系設(shè)計

馮乾隆，宋偉萍，南友飛，任田園

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為了提高汽車轉(zhuǎn)向靈活性及減小交通擁堵和提高停車空間利用率，基于輪轂電機及線控轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)上，提出了一種可實現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向的電動汽車模型，使其可實現(xiàn)90°大角度轉(zhuǎn)向，從而提高汽車的轉(zhuǎn)向靈敏性，并用SolidWorks軟件對轉(zhuǎn)向系與懸架進行設(shè)計，分析懸架系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

大角度轉(zhuǎn)向；轉(zhuǎn)向系；懸架

前言

近幾年，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，引起了城市交通擁堵等一系列問題。而在輪轂電機驅(qū)動的基礎(chǔ)上，發(fā)展可實現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向的四輪獨立轉(zhuǎn)向電動汽車有利于解決城市交通擁堵，提高停車空間和道路利用程度[1-2]。這種設(shè)計也大大增加了汽車的操縱穩(wěn)定性，使汽車動力響應(yīng)快速和準(zhǔn)確，在汽車停車入庫方面也發(fā)揮了積極重要的作用。而要實現(xiàn)此功能，對汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)提出了更高的要求，需設(shè)計出能滿足汽車90°大角度轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向系和懸架系統(tǒng)。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為使汽車可實現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)向，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系上做一些改進，將傳統(tǒng)機械連桿式轉(zhuǎn)向機構(gòu)由線性控制轉(zhuǎn)向電機取代，通過齒輪齒條機構(gòu)單獨控制每個車輪的轉(zhuǎn)向節(jié)，取消轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)等機械連桿機構(gòu)，使每個車輪轉(zhuǎn)向互不影響，同時每個車輪都由一個轉(zhuǎn)向電機單獨驅(qū)動，從而實現(xiàn)車輪獨立轉(zhuǎn)向。通過對轉(zhuǎn)向電機的控制，使每個車輪的轉(zhuǎn)角均達到[-36°，+90°]，從而實現(xiàn)汽車多種轉(zhuǎn)向模式。

1.控制器 2.轉(zhuǎn)向電機 3.減速機 4.轉(zhuǎn)向齒輪 5.滑軌 6.滑塊單元 7.轉(zhuǎn)向齒條 8,10.球頭鉸鏈 9.轉(zhuǎn)向橫拉桿 11.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 12.轉(zhuǎn)向節(jié)

所設(shè)計大角度轉(zhuǎn)向電動汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)三維模型如圖1所示。將駕駛員作用在方向盤上的轉(zhuǎn)矩信號通過傳感器傳至控制器1，經(jīng)過控制器計算使轉(zhuǎn)向電機2輸出相應(yīng)轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速機3將動力傳至轉(zhuǎn)向齒輪4，經(jīng)齒輪嚙合，將動力傳至齒條7，齒條7經(jīng)球鉸鏈8與轉(zhuǎn)向橫拉桿9相連，轉(zhuǎn)向橫拉桿9另一端又經(jīng)過球鉸鏈10與轉(zhuǎn)向節(jié)12相連，最終動力經(jīng)轉(zhuǎn)向橫拉桿9傳至車輪實現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向。

2 懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計選用不等長式雙橫臂懸架結(jié)構(gòu)，對懸架的設(shè)計必須滿足轉(zhuǎn)向時各部件間不發(fā)生干涉，因此采用直角三角形結(jié)構(gòu)，設(shè)計出的懸架系統(tǒng)如圖2所示。為減小懸架安裝誤差，在上下橫臂與車架相連的套筒內(nèi)裝有橡膠襯套。上下橫臂另一端分別通過桿端關(guān)節(jié)12、10與轉(zhuǎn)向節(jié)的C形槽3、11相連，桿端關(guān)節(jié)的球鉸端用鉸制孔螺栓固定于C形槽內(nèi)。上下C形槽3、11分別通過兩端的螺栓固定于轉(zhuǎn)向節(jié)4上。在轉(zhuǎn)向節(jié)另一端，裝有電磁制動器8，用于產(chǎn)生汽車的制動力。電磁制動器8又與輪轂電機6通過一個連接件7進行連接，輪轂電機外圈（轉(zhuǎn)子）用螺柱與輪轂總成5相連，內(nèi)圈通過花鍵與轉(zhuǎn)向節(jié)相連，并用圓螺母進行軸向固定，從而使輪轂電機內(nèi)圈（定子）得到固定。

1.減震器 2.上橫臂 3.上C形槽 4.轉(zhuǎn)向節(jié) 5.車輪總成 6.輪轂電機 7.連接件 8.電磁制動器 9.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 10.下橫臂桿端關(guān)節(jié) 11.下C形槽 12.上橫臂桿端關(guān)節(jié) 13.下橫臂

3 懸架導(dǎo)向機構(gòu)仿真分析

本文主要分析當(dāng)車輪上下震動時，懸架主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、車輪外傾角的變化。

表1 雙橫臂獨立懸架的設(shè)計參數(shù)

仿真分析前，首先對模型進行設(shè)置，設(shè)定汽車滿載時下橫臂與地面平行，分析車輪上下跳動±50mm時的各參數(shù)變化。所設(shè)計懸架參數(shù)如表1所示。

3.1 主銷內(nèi)傾角變化

主銷內(nèi)傾角可以使車輪轉(zhuǎn)動時獲得一定的回正力矩[3]。經(jīng)過分析，主銷內(nèi)傾角隨車輪跳動位移變化如圖3所示，車輪[-50，+50]上下跳動時，主銷內(nèi)傾角變化大小約為1.2°，基本滿足設(shè)計要求。

圖3 主銷內(nèi)傾角隨車輪上下跳動位移的變化曲線

3.2 主銷后傾角變化

主銷后傾角變化如圖4所示。車輪跳動時，后傾角也跟著發(fā)生變化，變化角度約為0.0048°，在理想的變化區(qū)域內(nèi)，因此滿足設(shè)計要求。

圖4 主銷后傾角隨車輪上下跳動的變化

3.3 車輪外傾角

車輪外傾角的大小也會影響汽車的操縱穩(wěn)定性，車輪外傾角隨車輪上下跳動產(chǎn)生變化會影響汽車直線行駛時的行駛穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向性能以及會使輪胎磨損等[4]。本設(shè)計中，當(dāng)車輪跳動時，車輪外傾角變化如圖5所示，外傾角變化大小在1.2°以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖5 車輪外傾角隨車輪上下跳動位移的變化

4 總結(jié)

本文設(shè)計的四輪獨立轉(zhuǎn)向電動汽車可實現(xiàn)汽車[-36°，90°]大角度轉(zhuǎn)向，提高汽車轉(zhuǎn)向靈活性從而減小城市道路擁堵。提出一種新型齒輪齒條轉(zhuǎn)向系，且為了避免運動干涉，設(shè)計出符合要求的直角三角形橫臂結(jié)構(gòu)。通過懸架定位參數(shù)的分析，驗證此設(shè)計的合理性。

[1] 李校培.基于輪轂電機的空間節(jié)約型電動汽車全轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究[D].西南交通大學(xué), 2015.

[2] Kueperkoch S, Ahmed J, Kojic? A, et al. Novel Vehicle Stability Control Using Steer-by-Wire and Independent Four Wheel Torque Distribution[C]// ASME 2003 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engin -eers, 2003:413-420.

[3] 戴逢權(quán).多連桿懸架系統(tǒng)性能仿真研究[D].武漢理工大學(xué),2011.

[4] 劉輝.空氣懸架大客車的多體動力學(xué)仿真分析[D].長安大學(xué), 2011.

Design of suspension and steering system for large angle steering electric vehicle

Feng Qianlong, Song Weiping, Nan Youfei, Ren Tianyuan

( Automobile Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

In order to improve vehicle steering flexibility, reduce traffic congestion and improve parking space utilization, based on hub motor and wire control steering, an electric vehicle model which can realize large angle steering is proposed, which can achieve 90° angle steering, thus improving the steering sensitivity of the vehicle. The steering system and suspension are designed with SolidWorks software, and the rationality of suspension system design is analyzed.

steering large angle; steering system; suspension

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1671-7988(2018)20-15-03

U469.72

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1671-7988(2018)20-15-03

U469.72

馮乾隆，就讀于長安大學(xué)，碩士研究生，主要研究方向為汽車電控技術(shù)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.005