新型五輪電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)研究

張光磊 鐘穎強(qiáng) 王圣宇

摘要：當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)研究大都延用了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車底盤(pán)系統(tǒng)，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車大體一致。但是，這種設(shè)計(jì)思路存在著底盤(pán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、動(dòng)力損耗大及維修不便等不足。基于此，設(shè)計(jì)研究五輪結(jié)構(gòu)的新型五輪電動(dòng)汽車，采用單輪驅(qū)動(dòng)裝置，兩前兩后輪設(shè)為被動(dòng)輪，簡(jiǎn)化了底盤(pán)系統(tǒng)，降低了動(dòng)力損耗，對(duì)電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。

Abstract： The design and research of electric vehicle at home and abroad mostly use the traditional internal combustion engine vehicle chassis system， the design of its power transmission system， drive system and driving system are generally consistent with the traditional internal combustion engine vehicle. However， there are some disadvantages in this design， such as complicated structure of chassis system， high manufacturing cost， large power loss and inconvenient maintenance. Based on this， a new five-wheel electric vehicle with a five-wheel structure is designed and studied. The single-wheel drive device is adopted and the two front and rear wheels are set as passive wheels， which simplifies the chassis system and reduces the power loss， it has certain reference value to the development of electric vehicle technology.

關(guān)鍵詞：五輪結(jié)構(gòu);五輪電動(dòng)汽車;單輪驅(qū)動(dòng)

Key words： five-wheel construction;five-wheeled electric vehicle;single wheel drive

中圖分類號(hào)：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0008-02

0? 引言

為了解決能源危機(jī)和全球氣候變暖的急劇惡化，追求汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型與升級(jí)，滿足當(dāng)今汽車產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的迫切需求，電動(dòng)汽車儼然成為全球各大汽車廠商必爭(zhēng)的戰(zhàn)略高地[1]。我國(guó)自2012年發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》到《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，國(guó)家長(zhǎng)期堅(jiān)持純電驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略方向，電動(dòng)汽車必將成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展主流[2]。

近年來(lái)，電動(dòng)汽車也取得了矚目的成績(jī)，2019年國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車新車銷量達(dá)110萬(wàn)輛左右，2020年國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車新車銷量達(dá)130萬(wàn)輛左右，增長(zhǎng)18.2%。

電動(dòng)汽車具備自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)燃油車在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上無(wú)法突破與實(shí)現(xiàn)的。

①是無(wú)污染、噪音低：電動(dòng)汽車動(dòng)力是由電力轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)零排放、無(wú)污染;電動(dòng)汽車運(yùn)行過(guò)程中的噪聲值比傳統(tǒng)燃油車低20分貝左右。

②起步加速快：電動(dòng)汽車0-100km/h加速時(shí)間一般為6-8s，傳統(tǒng)燃油車一般為11-14s。

③能源來(lái)源多樣化：電動(dòng)汽車的電力能源可以由許多其他能源轉(zhuǎn)化而來(lái)。

但是，大多數(shù)國(guó)內(nèi)外汽車制造廠商研發(fā)的電動(dòng)汽車延用了原有的內(nèi)燃機(jī)汽車結(jié)構(gòu)[3]。

比如動(dòng)力傳動(dòng)方式，延用了原有的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)，即從電動(dòng)機(jī)——離合器——變速器——萬(wàn)向節(jié)——傳動(dòng)軸——萬(wàn)向節(jié)——差速器——減速器——半軸——車輪，有些使用先進(jìn)電動(dòng)機(jī)的也可省略掉離合器和變速器。又如驅(qū)動(dòng)方式，也是延用了原有的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有前輪驅(qū)動(dòng)，也有后輪驅(qū)動(dòng)[4]。

這種設(shè)計(jì)思路存在著以下不足：

①底盤(pán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加制造成本，不易維修;

②部件、零件多，動(dòng)力消耗大，故障率高;

③增加動(dòng)力消耗，縮短行駛里程。

1? 設(shè)計(jì)思路

基于單輪驅(qū)動(dòng)方式的新型五輪電動(dòng)汽車，在車輛底盤(pán)系統(tǒng)的傳統(tǒng)位置保留左前左后、右前右后四個(gè)被動(dòng)車輪，在左前車輪、右前車輪和左后車輪、右后車輪前后距離約3/5正中處設(shè)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪。驅(qū)動(dòng)車輪由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由車載動(dòng)力電池提供電能。

工作時(shí)，操作外置開(kāi)關(guān)可使驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)和反向轉(zhuǎn)動(dòng)為車輛驅(qū)動(dòng)車輪提供前行或后退的動(dòng)力，四個(gè)被動(dòng)車輪只需按照常規(guī)汽車制造安裝獨(dú)立懸掛（兩前車輪轉(zhuǎn)向、兩后車輪固定）并調(diào)校，無(wú)須橫向固定件連接;按照常規(guī)汽車制造安裝好車輪制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、減震和潤(rùn)滑系統(tǒng)并調(diào)校，通過(guò)控制車輛上的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)車輛前行、轉(zhuǎn)彎、后退和停車[5]。

2? 設(shè)計(jì)方案

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型五輪電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)如圖1。該電動(dòng)汽車配置五個(gè)車輪，其中四個(gè)輪子是被動(dòng)輪、一個(gè)是主動(dòng)輪。四個(gè)被動(dòng)輪采用汽車常用的獨(dú)立懸掛系統(tǒng)安裝在車身下面車架的四角位子上（形成兩前輪、兩后輪），而主動(dòng)輪安裝在車身下面車架的約“正中”處;通過(guò)數(shù)學(xué)模型推演計(jì)算和多輪次實(shí)物試驗(yàn)，主動(dòng)輪安裝的最佳位子為;四個(gè)被動(dòng)輪輪距即兩前輪輪心連線與兩后輪輪心連線的距離五分之三處。如：車距設(shè)置為3m，則主動(dòng)輪安裝在輪距的1.8m處（從前輪到后輪的方向）。這個(gè)位子是整車摩擦阻力的中點(diǎn)，主動(dòng)輪安裝在此處可最大程度提高本車動(dòng)力效能。主動(dòng)輪由安裝的蓄電池提供電力驅(qū)動(dòng)動(dòng)能。

被動(dòng)輪采用汽車常用的獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，獨(dú)立懸架系統(tǒng)是指本車前后每一側(cè)的車輪（被動(dòng)輪）都是單獨(dú)地通過(guò)彈性懸架系統(tǒng)懸架在車身下面的車架上。獨(dú)立懸架系統(tǒng)是目前汽車制造常用的構(gòu)件，獨(dú)立懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括彈性元件、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、剎車以及減震器等部分。

該車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以保證質(zhì)量輕，減少車身受到的沖擊，提高車輪的地面附著力，汽車重心也得到降低，改善汽車的舒適性，提高汽車的行駛穩(wěn)定性。最主要的是前后左右車輪單獨(dú)跳動(dòng)，互不相干，能減小車身的傾斜和震動(dòng)。由于獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu)使得四個(gè)車輪間沒(méi)有干涉，可以有更好的舒適性和操控性。而非獨(dú)立懸掛的車輪間有硬性連接物，會(huì)發(fā)生相互干涉，特別是車輛使用前驅(qū)或是后驅(qū)時(shí)必定要使用差速器裝置，使得動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

新型五輪電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)車輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 實(shí)施方案

驅(qū)動(dòng)車輪13安裝在車輛大梁總成19的中部（通過(guò)數(shù)學(xué)模型推演計(jì)算和多輪次實(shí)物試驗(yàn)，獨(dú)立懸掛的動(dòng)力輪13安裝的最佳位置為：左前車輪11、右前車輪12和左后車輪14、右后車輪18前后距離約五分之三正中處。此位置是整車摩擦阻力的中點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)車輪13安裝在此處可最大程度提高本車動(dòng)力效能），設(shè)有一個(gè)帶獨(dú)立懸掛裝置1和剎車裝置9的驅(qū)動(dòng)車輪13。在為整車提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)車輪13的輪心處設(shè)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)6、電機(jī)連接線5電池連接線16和電源控制裝置15，驅(qū)動(dòng)電機(jī)6通過(guò)電機(jī)連接線5、電池連接線16分別與電源控制裝置15和動(dòng)力電池17連接。該獨(dú)立懸掛裝置1和剎車裝置9的驅(qū)動(dòng)車輪13，通過(guò)減震器2上部和后拉桿3、前拉桿4與車輛大梁總成19固定;通過(guò)驅(qū)動(dòng)車輪13上的車輪軸頭8安裝上輪胎10;通過(guò)減震器2、后拉桿3和前拉桿4可調(diào)校主動(dòng)輪13上下、左右的位子，以達(dá)到最佳行駛效果。

左前左后、右前右后四個(gè)被動(dòng)車輪采用汽車常用的獨(dú)立懸掛系統(tǒng)安裝在車身下面車架的四角位子上，左前車輪11、右前車輪12和左后車輪14、右后車輪18和驅(qū)動(dòng)車輪13的輪胎10尺寸一致。

工作時(shí)，操作電源控制裝置15能使驅(qū)動(dòng)電機(jī)6正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)為本車提供前行或后退的動(dòng)力。另外四個(gè)被動(dòng)車輪只需按照常規(guī)汽車制造安裝獨(dú)立懸掛（兩前車輪可轉(zhuǎn)向、兩后車輪無(wú)轉(zhuǎn)向）并調(diào)校，無(wú)須橫向固定件連接;按照常規(guī)汽車制造安裝好車輪制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、減震和潤(rùn)滑系統(tǒng)，通過(guò)控制車輛上的制動(dòng)（類似燃油汽車上的剎車踏板）、轉(zhuǎn)向（方向盤(pán)）和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源開(kāi)關(guān)（類似燃油汽車上的油門(mén)踏板和擋位）就可使車輛前行、轉(zhuǎn)彎、后退和停車。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車前輪驅(qū)動(dòng)或是后輪驅(qū)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)免除不用。最重要的是，完全不使用通常的汽車底盤(pán)傳動(dòng)差速器裝置。

3? 結(jié)束語(yǔ)

該新型五輪電動(dòng)汽車，其四個(gè)車輪為被動(dòng)車輪、一個(gè)為驅(qū)動(dòng)車輪，其區(qū)別于當(dāng)前主要研究的電動(dòng)汽車范疇，跳出了傳統(tǒng)燃油車的驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)方式，取消了傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車前驅(qū)或是后驅(qū)方式的設(shè)計(jì)，不使用通常的汽車底盤(pán)傳動(dòng)差速器裝置，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力傳動(dòng)更加簡(jiǎn)便、直接。同時(shí)，減少了底盤(pán)系統(tǒng)的部件，減輕了整車的底盤(pán)重量，使汽車的動(dòng)力消耗更少，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車相比，行駛更平穩(wěn)、行駛里程更長(zhǎng)。該新型五輪電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)研究對(duì)于汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有一定的借鑒作用，對(duì)于各大汽車企業(yè)研發(fā)新型電動(dòng)汽車具有參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙世佳，徐楠，尚勇.我國(guó)下一代電動(dòng)汽車平臺(tái)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展現(xiàn)狀、需求及建議[J].科學(xué)管理研究，2019.

[2]編輯部.《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布2035年純電動(dòng)車成為新售主流[J].粉末冶金工業(yè)，2020.

[3]許笑月，宋春華，韋興平，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析[J].裝備制造技術(shù)，2017.

[4]宋學(xué)忠.純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方式發(fā)展趨勢(shì)探討[J].煙臺(tái)南山學(xué)院學(xué)報(bào)，2018.

[5]余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.