軸距可變微型電動車整車構型與性能分析*

陳辛波，杭鵬，吳憲，3，葉大衛(wèi)

(1．同濟大學汽車學院，上海201804;2．同濟大學新能源汽車工程中心，上海201804;3．同濟汽車設計研究院有限公司，上海201804)

軸距可變微型電動車整車構型與性能分析*

陳辛波1，2，杭鵬1，吳憲1，3，葉大衛(wèi)1

(1．同濟大學汽車學院，上海201804;2．同濟大學新能源汽車工程中心，上海201804;3．同濟汽車設計研究院有限公司，上海201804)

為提高城市居民個性化電動車輛的行駛機動性，并有效減小其駐車占地面積，研制了一種軸距可變的微型電動概念車。首先，基于整車設計目標，研究了軸距可變微型電動車整車構型;進而，為提高行駛機動性和系統(tǒng)集成度，提出一體化線控獨立轉向－懸架導向機構、基于梯形絲杠和連桿機構組合的底盤變軸距機構，并通過結構設計和運動學分析，確認其預期效果;最后，利用CarSim軟件進行仿真，對比分析底盤折疊和展開狀態(tài)下的制動性能、行駛平順性和雙移線性狀，以評估整車的動力學性能。

微型電動車;變軸距;線控獨立轉向機構;懸架導向機構

前言

微型電動車體積小，質量輕，機動靈活，在節(jié)能環(huán)保、解決城市交通擁堵與停車困難的問題和個性化交通出行等方面獨具優(yōu)勢。通常，城市居民每日行駛里程相對較短，微型電動車即能滿足大部分人的日常出行需求。因此，優(yōu)先發(fā)展適用于城市居民的微型電動車，使其成為中國的“國民車”，值得期待［1］。實際上，為了應對日益嚴峻的環(huán)境、能源和交通問題，豐田公司很早就進行了城市微型電動車的研發(fā)，先后推出了PM，i-Unit，i-Swing，i-Real和i-Road等微型電動車［2－3］;通用公司也開發(fā)了EN-V系列微型電動車，同時引入智能網聯技術，將主動安全和無人駕駛技術應用于微型電動車［4］。其中，通過調整軸距、改變車身姿態(tài)，使微型電動車兼?zhèn)淞己玫牡退凫`活性和高速穩(wěn)定性，是微型電動車整車構型設計的重要方向。i-Unit概念車的底盤車架采用多連桿機構形式，在縮短軸距的同時牽動座椅上升，以縮短車體長度并改變駕駛者坐姿［5］;美國麻省理工學院媒體實驗室與西班牙政府合作開發(fā)的四輪獨立轉向微型折疊式電動汽車Hiriko，則以曲柄滑塊式折疊底盤機構實現整車折疊［6］;文獻［7］中采用四連桿機構和曲柄滑塊機構，設計了軸距可變、可折疊的超微型電動汽車;韓國科學技術院研究人員采用齒輪齒條機構設計了可折疊的微型電動車以減小停車空間［8－9］。

簡單高效的變軸距機構，有助于提高電動車底盤的機動性和適應性，并有效減小駐車占地面積?，F有的變軸距機構大多采用連桿機構，制造容易，但車身舉升角度較小，車身后懸較大，折疊效果不佳，且機構效率低，機構的內構件受力大［6］。針對現有變軸距機構的不足，本文中提出一種結構簡單且運行高效的微型電動車變軸距機構，結合線控獨立轉向系統(tǒng)開發(fā)，使該微型電動車在低速和駐車時可縮小軸距以提高機動性、減小駐車占地面積，而在高速時能增大軸距、降低質心，以提高操縱穩(wěn)定性。

1 整車構型

面向城市用戶的軸距可變微型電動車要求使用方便、安全，車型介于A00級和微型電動代步工具之間，可以進入電梯、樓道等狹小空間。設計目標是滿載質量300kg，續(xù)航里程50km，最高車速30km/h，0～20km/h加速時間小于5s。樣車結構和性能參數如表1所示，其軸距變化范圍為178～1 250mm。

圖1為試制的軸距可變微型電動車樣車。其中，圖1(a)為軸距最長時的底盤展開姿態(tài)，圖1(b)為軸距最短時的底盤折疊姿態(tài)。樣車單人駕乘，采用后輪獨立驅動，驅動電機為兩個直流無刷輪轂電機;考慮到前軸所受載荷較小，前輪選用較小尺寸輪胎。為了實現進入電梯和入戶功能，對整車機動性和靈活性提出較高要求。在最短軸距狀態(tài)下，實現最小的轉向半徑(瞬心位于后軸中心)，要求兩前輪最大轉向角大于66°，采用傳統(tǒng)的轉向梯形機構難以滿足要求。為此，本文中提出線控獨立轉向機構，通過各前輪的獨立轉向控制，精確實現左右前輪之間的阿克曼轉向幾何關系，其轉角范圍可滿足兩前輪最大轉角需求。前軸采用燭式懸架，后軸采用拖曳臂扭轉梁式懸架，并通過前懸架系統(tǒng)與線控獨立轉向系統(tǒng)進行一體化設計，謀求結構緊湊。由于整車質量較輕、車速不高，僅用后輪制動即可滿足制動要求?？紤]操縱輕便性和制動力要求，選用具有電子輔助功能的后輪液壓制動系統(tǒng)。

表1 樣車結構和性能參數

圖1 軸距可變微型電動車樣車

2 一體化線控獨立轉向-懸架導向機構

線控獨立轉向系統(tǒng)取消了轉向盤與轉向輪之間的機械連接，使用轉向電機作為轉向動力源，一體化線控獨立轉向-懸架導向機構將轉向電機集成到懸架導向機構中，實現了轉向系統(tǒng)與懸架的一體化設計，具有結構緊湊、集成度高等特點。文獻［10］和文獻［11］中針對雙橫臂懸架提出了一種一體化線控獨立轉向-懸架導向機構的結構設計方案，并進行了結構優(yōu)化以改善懸架性能。文獻［12］中在全方位線控四輪轉向電動汽車設計中對雙橫臂懸架導向機構和轉向機構進行了一體化設計?？紤]到微型電動汽車結構緊湊，懸架布置空間較小，借鑒飛機起落架的轉向懸架結構形式，在燭式懸架的基礎上設計了一體化線控獨立轉向-懸架導向機構，如圖2所示。

圖2 一體化線控獨立轉向-懸架導向機構

一體化線控獨立轉向-懸架導向機構主要由轉向電機、蝸輪蝸桿減速器、轉角傳感器、螺旋彈簧、減振器、轉向節(jié)總成和滑套總成等部件組成。蝸輪蝸桿減速器一端連接轉向電機，另一端通過花鍵連接滑套總成上端，轉角傳感器安裝在滑套總成上端實時檢測車輪轉角，減振器兩端分別通過緊固件連接滑套總成和轉向節(jié)總成，上下擺臂分別鉸接于滑套總成和轉向節(jié)總成，上下擺臂之間通過鉸接實現相對轉動，轉向節(jié)總成的上滑柱與滑套內表面為間隙配合可實現相對滑動，螺旋彈簧套在轉向節(jié)總成的上滑柱表面，兩端分別固接在滑套總成和轉向節(jié)總成上。一體化線控獨立轉向-懸架導向機構在實現轉向功能時，轉向動力從轉向電機輸出，經過蝸輪蝸桿減速增矩，再傳遞給滑套總成和上下擺臂，最終傳遞到轉向節(jié)總成以實現車輪轉向。車輛在行駛過程中，轉向節(jié)總成的上滑柱在滑套總成中滑動，隨著車身振動壓縮螺旋彈簧和減振器，從而實現導向與減振功能。

由于采用了線控獨立轉向形式，轉向系統(tǒng)只需對轉向電機進行參數計算和選型，已知相關設計參數如表2所示。

表2 轉向系統(tǒng)相關設計參數

由于展開時主銷后傾較大，且主銷與車輪接地點的偏距較大，地面對車輪的垂向作用力的分力對電機造成一個明顯的附加轉矩，所以電機在不轉向時仍然工作，單側靜態(tài)附加轉矩為

單側地面極限附著力為

轉向時單側縱向力為

轉向時單側側向力為

單側縱向力造成的轉矩為

單側側向力造成的轉矩為

單側轉向總轉矩為

則電機最大轉矩為

從經濟性方面考慮，應讓電機額定功率滿足車輛最常用的行駛狀態(tài)，常態(tài)下，前軸滿載軸荷Ma1= 140kg，將表2設計參數代入式(1)～式(8)，得電機額定轉矩為

考慮轉向響應和執(zhí)行時間，選取電機額定轉速n=3000r/min，則電機額定功率為

根據上述計算，選取轉向電機的參數見表3。

3 軸距可變機構設計與分析

為使微型電動車的軸距可變機構結構簡單、運行高效，本文中采用了絲杠傳動的結構形式，考慮到軸距變化到某一長度須使機構固定形態(tài)，即設計的機構應具有自鎖功能，故采用梯形絲杠機構作為軸距可變機構。圖3為安裝在樣車上的軸距可變機構實物樣機，絲杠螺母與絲杠電機的轉子固接，并安裝在前車架上，可與前車架相對轉動，絲杠右端通過桿端軸承安裝在后車架上，可繞后車架轉動。在實現軸距變化過程中，通過調節(jié)絲杠電機的運動可改變螺母在絲杠上位置的變化，使前后車架的夾角發(fā)生變化，最終達到改變軸距的目的。

梯形絲杠推力Fa與電機轉矩Ta的關系式為

式中:L為絲杠導程;K為絲杠進給效率，一般取0.5，若絲杠導程選為3．175mm，Fa=1000N，則Ta= 1．01N·m。絲杠步進電機的參數如表4所示。

表4 絲杠步進電機的參數

圖4為軸距可變微型電動車底盤機構簡圖。按車輛靜止狀態(tài)對軸距可變機構進行運動分析，鑒于后軸承載比重較大，所受摩擦阻力也較大，故假設車輛后輪固定，與路面無相對運動。

圖4 軸距可變微型電動車底盤機構簡圖

取閉環(huán)鏈BCDB，由余弦定理可得

將上式對時間求導可得

式中:vD為絲杠螺母相對于絲杠的移動速度;θ為前后車架的夾角。

取閉環(huán)鏈ACEFA，建立矢量方程:

上式為機構的位置方程，將其對時間求導，得到機構的運動方程:

式中vE為前輪相對于后輪的移動速度。

根據平面幾何關系可知

由上述方程求解軸距可變機構運動參數，已知量為:AC=441．2mm，CE=863．2mm，BC=165mm，DC=156mm，AF=86．8mm，∠ACB=9°，∠DCE= 25°，初始位置BD=85．3mm，設定絲杠電機進給速度vD=12．7mm/s。在MATLAB軟件中進行求解，得到絲桿工作長度與微型電動車軸距的變化關系和在絲杠電機勻速進給下軸距隨時間的變化關系，分別如圖5和圖6所示，可以得到絲桿的有效工作長度為85.3～266mm，變化量為180.7mm，軸距變化范圍為780～1 250mm，從折疊狀態(tài)變換到展開狀態(tài)總共耗時14．23s，整個變換過程很平滑，沒有出現大的波動，不會對乘坐舒適性造成影響。

圖6 軸距隨時間變化關系

4 整車動力學仿真分析

利用CarSim整車動力學仿真軟件，對制動試驗、行駛平順性試驗和雙移線試驗3種工況進行仿真，分別就折疊狀態(tài)和展開狀態(tài)兩種模式進行測試，得到兩種狀態(tài)下整車各項性能的對比。

4．125km/h時速下制動性仿真

該工況模擬了車輛以25km/h時速緊急制動試驗。在折疊和展開兩種狀態(tài)下，車身質心縱向速度和車身俯仰角的變化曲線如圖7所示。由圖7(a)可見，展開狀態(tài)下制動效果明顯優(yōu)于折疊狀態(tài)，這是由于展開狀態(tài)質心位置較折疊狀態(tài)低了130mm，且軸距長了470mm，使制動時前后軸載荷偏移率減小，能更好地發(fā)揮后輪制動的效果。且在折疊狀態(tài)下以25km/h時速緊急制動會導致車輪抱死，繼而使車輪在路面上發(fā)生滑動摩擦，需要6s時間才能完成制動。而由圖7(b)可見，除1－2s時段外的大部分時間內，展開狀態(tài)的車身俯仰角都比折疊狀態(tài)的幅值小得多，且變化更加平穩(wěn)。此外，制動試驗仿真結果也表明折疊狀態(tài)應限制行駛速度，以防止危險情況發(fā)生。

圖725km/h時速制動仿真試驗

4．225km/h時速行駛平順性仿真

該工況模擬了車輛以25km/h的時速行駛在起伏路面上的平順性試驗。在路面為正弦掃頻輸入，車身俯仰角以及車身質心垂向加速度變化情況如圖8所示，在前期路面起伏頻率較低階段，兩種狀態(tài)下車身俯仰角波動非常接近，到了后期起伏頻率逐漸提高后，展開狀態(tài)的波動較大。從質心垂向加速度圖可以明顯看到，展開狀態(tài)的減振效果要優(yōu)于折疊狀態(tài)，通過計算得到折疊狀態(tài)下車身質心加速度均方根值為0.764 2m/s2，展開狀態(tài)下車身質心加速度均方根值為0．659 4m/s2，較前者減小了13．71%，可見在展開狀態(tài)下具有更好的行駛平順性。

圖825km/h時速行駛平順性仿真試驗

4．325km/h時速雙移線仿真

該工況模擬了車輛在25km/h的車速下，完成變線-保持-變線的過程。車身質心側向加速度、側傾角、橫擺角速度曲線如圖9所示，由于質心位置降低，在展開狀態(tài)時具有更小的車身側傾角，其余兩項參數在折疊和展開狀態(tài)下的變化不大。分析可知，變軸距功能對于在行駛途中單次變更線路所造成的側傾、橫擺影響都不大。

圖925km/h時速雙移線仿真試驗

5 結論

本文中提出了軸距可變微型電動車的整車構型并進行了樣車試制，旨在為解決城市交通擁擠與停車困難等難題提出合理可行的個性化交通出行解決方案。一體化線控獨立轉向-懸架導向機構的設計不僅增加了微型電動車轉向角范圍，提高了轉向靈活性，而且將轉向系統(tǒng)與懸架系統(tǒng)集成化設計使整車布局更加緊湊。將梯形絲杠與連桿機構應用于軸距可變機構，設計與分析結果表明，該機構可實現軸距在780～1 250mm范圍內均勻變化，達到預期效果。利用仿真軟件進行制動、行駛平順性和雙移線試驗的仿真分析，結果表明，軸距可變微型電動車在底盤展開狀態(tài)下具有較優(yōu)的動力學性能。

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Vehicle Configuration and Performance Analysis of a Micro Electric Vehicle with Variable Wheelbase

Chen Xinbo1，2，Hang Peng1，Wu Xian1，3＆Ye Dawei1
1．School of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 201804;2．Clean Energy Automotive Engineering Center，Tongji University，Shanghai 201804;3．Tongji Automotive Design and Research Institute，Shanghai 201804

In order to improve the mobility of personalized electric vehicle for urban residents and effectively reduce its footprint area in parking lot，a novel concept micro electric vehicle with variable wheelbase is developed and produced．Firstly，the configuration of micro electric vehicle with variable wheelbase is studied based on the objectives of vehicle design．Then，for enhancing the mobility and system integration，an integrated independent steer-by-wire/suspension guiding mechanism and a variable wheelbase mechanism in chassis based on a combination of trapezoidal lead screw and linkage mechanism are proposed，with its expected effects verified by structure design and kinematic analysis．Finally，a simulation is performed using software CarSim to comparatively analyze its behaviors of braking，riding comfort and double lane change under both folded and unfolded chassis states respectively for evaluating the dynamics performance of vehicle．

micro electric vehicle;variable wheelbase;independent steer-by-wire mechanism;suspension guiding mechanism

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．005

*國家自然科學基金(51375344和U1564207)資助。

原稿收到日期為2016年6月6日，修改稿收到日期為2016年8月15日。

吳憲，副教授，博士，E-mail:wuxian_tji@126．com。