校內(nèi)純電力驅(qū)動(dòng)觀光車設(shè)計(jì)

王力斌

摘 要 本文主要針對(duì)開(kāi)學(xué)、畢業(yè)季學(xué)生入校、離校時(shí)搬運(yùn)行李，及師生、客人日常校園觀光問(wèn)題，對(duì)校內(nèi)純電力驅(qū)動(dòng)觀光車進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電池等機(jī)構(gòu)元件連接等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，為下一步整車裝配工作打好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 校內(nèi)純電力觀光車 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 制動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TU62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）03-0106-03

1 電動(dòng)觀光車的總體布置設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置可直接影響到電動(dòng)觀光車的底盤離地間隙、震動(dòng)噪音、軸荷分配等關(guān)鍵問(wèn)題，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置選擇非常重要。質(zhì)心越低的車輛越能獲得更好的行駛穩(wěn)定性，避免側(cè)翻。因此，應(yīng)在保證觀光車通過(guò)性及各機(jī)構(gòu)工作條件的同時(shí)，盡量降低車輛質(zhì)心。校園內(nèi)路況較為平坦，離地間隙不要求過(guò)大，根據(jù)本校實(shí)際路況，結(jié)合學(xué)生住宿區(qū)的實(shí)際情況，將空載時(shí)電機(jī)離地間隙設(shè)計(jì)為180mm。

為了降低觀光車的震動(dòng)和噪音，保證車體平衡，避免轉(zhuǎn)向側(cè)傾，提高乘坐舒適性，我們將電機(jī)軸線與車輛中線相重合。為了降低電機(jī)功率，提高行駛里程，本設(shè)計(jì)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力通過(guò)手動(dòng)變速器、驅(qū)動(dòng)橋、半軸傳遞到車輪。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的前后位置應(yīng)考慮到傳動(dòng)系統(tǒng)中各機(jī)構(gòu)相對(duì)位置，可隨變速器及驅(qū)動(dòng)橋的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)位置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)采用機(jī)械式，主要由離合器、變速器、驅(qū)動(dòng)橋等機(jī)構(gòu)組成，變速器與驅(qū)動(dòng)橋?yàn)橐惑w式設(shè)計(jì)。為提高行駛平順性及避免因應(yīng)力損壞半軸，將半軸中線與車輪中線相重合。半軸位置確定后，驅(qū)動(dòng)橋及變速器的位置可根據(jù)與半軸連接的法蘭盤位置進(jìn)行確定，從而確定離合器安裝位置，離合器蓋需要針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行改造，并利用螺栓與其相連。

1.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位置設(shè)計(jì)

為了降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)擔(dān)，轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)選擇使用電子轉(zhuǎn)向助力方式。本設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向電機(jī)、方向盤上下調(diào)節(jié)器等組成。首先通過(guò)整車寬度及A柱位置確定方向盤位置，利用萬(wàn)向節(jié)及傳動(dòng)軸等元件將轉(zhuǎn)向器與方向盤相連接。本設(shè)計(jì)選用技術(shù)較成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，保證駕駛員的駕駛體驗(yàn)及車輛駕駛穩(wěn)定性。

1.4 懸架位置設(shè)計(jì)

為保證整車的駕駛、乘坐舒適性，本設(shè)計(jì)采用4輪獨(dú)立懸掛的懸架形式。獨(dú)立懸架除可有效緩沖車輪跳動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊力外，還具有占用空間小的特點(diǎn)，可有效降低車輛質(zhì)心，降低車輛轉(zhuǎn)向側(cè)傾感受，提高起伏路面上的車輪附著力。

設(shè)計(jì)中，側(cè)傾軸線位置應(yīng)與地面平行，與地面的間距應(yīng)盡可能大，從而保證在行駛時(shí)，前、后軸的軸荷大致相同，使其擁有中性轉(zhuǎn)向特性，并保證車身側(cè)傾限制在6°～7°范圍內(nèi)，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

側(cè)傾軸線位置的確定要考慮到車輛輪距的變化，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，懸架的設(shè)計(jì)必須保證在載荷變化時(shí)，輪距變化不得超過(guò)增減0.4mm。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)懸架的側(cè)傾中心高度不可超過(guò)150mm。因本課題選用驅(qū)動(dòng)電機(jī)前置前驅(qū)方式，由于驅(qū)動(dòng)橋軸荷相對(duì)較大，故應(yīng)盡可能使前輪軸荷變化減小。因此，側(cè)傾中心高度應(yīng)為：前懸架0～120mm，后懸架80～150mm。側(cè)傾中心高度確定后，便可確定縱傾軸線位置及縱傾中心。

根據(jù)以上三個(gè)重要參數(shù)，可確定懸架系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)4輪定位參數(shù)。

1.制動(dòng)系統(tǒng)位置設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)制動(dòng)系統(tǒng)采用HH式液壓制動(dòng)系統(tǒng)，保證在車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，每個(gè)車輪都可以得到單獨(dú)制動(dòng)控制，為添加ABS系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。在對(duì)制動(dòng)踏板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證駕駛員可以輕松、舒適、不易誤踩，保證制動(dòng)的靈敏性及穩(wěn)定性。

2.電池組位置設(shè)計(jì)。電池組的安裝位置應(yīng)考慮到動(dòng)力系統(tǒng)接線長(zhǎng)度，安裝更換方便等因素，本設(shè)計(jì)將其安裝在靠近驅(qū)動(dòng)電機(jī)的前箱內(nèi)。

3.座椅的位置設(shè)計(jì)。座椅的設(shè)計(jì)主要通過(guò)人機(jī)工程學(xué)原理進(jìn)行，除了舒適度因素外，還應(yīng)考慮安全因素及緊急情況逃跑的便利性。

2 車架及車身設(shè)計(jì)

車架及車身設(shè)計(jì)主要對(duì)車輛承載部分、蒙皮、車架等進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括制動(dòng)踏板、油門踏板、離合器踏板、相關(guān)連接線、桁架、車身材料、車身附件、底板、各種安裝基座、連接緊固件等元件為主要設(shè)計(jì)元件。

車架主要由利用鋼管組合架組成的翻滾架及其他連接元件所組成。翻滾架鋼管組的材質(zhì)為冷拔無(wú)縫碳素鋼，由若干根鋼管按照外形設(shè)計(jì)進(jìn)行焊接，其所能承受的沖擊力約為2倍車身重量。

本設(shè)計(jì)為7座旅游觀光車，需要有較寬敞的乘坐空間，擬定車身長(zhǎng)度為4400mm，考慮到加工因素及其他零部件的安裝，在此范圍內(nèi)加上200mm，車架的長(zhǎng)度約為4600mm。為保證車內(nèi)乘客可有舒適的乘坐體驗(yàn)，車體寬度應(yīng)為1700mm。由于人體自然駕駛姿勢(shì)坐高約為850mm，而且主環(huán)最高點(diǎn)與前環(huán)最高點(diǎn)連線至少高于頭頂150mm，考慮到乘客的乘坐感受，車體高度應(yīng)為1600mm。

本設(shè)計(jì)選用蒙皮材質(zhì)為汽車專用0.9mm厚涂鍍層鋼板，該鋼板具有成型性好、耐腐蝕性好、版型平整、抗沖擊強(qiáng)等特點(diǎn)?？紤]到其主要在校內(nèi)使用，校內(nèi)道路平整，出現(xiàn)側(cè)翻幾率極低，因此，該板材完全滿足實(shí)際使用條件。

3 動(dòng)力系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力總成及傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電機(jī)、電池、驅(qū)動(dòng)軸、差速器基座、鏈輪/皮帶輪、差速器軸承、差速器、萬(wàn)向節(jié)、保護(hù)罩、連接緊固件等。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，在保證車速的同時(shí)要確保車輛能正常起步，因此，本課題傳動(dòng)部分利用手動(dòng)變速器來(lái)提高傳動(dòng)比，保證車輛能夠平穩(wěn)起步，并可滿足在雨雪天氣、學(xué)生流量大等不同環(huán)境下均能安全且平穩(wěn)運(yùn)行。在雨雪天氣條件下，由于路面附著力較小，可選擇利用2檔起步來(lái)降低傳動(dòng)比，保證平穩(wěn)起步，防止打滑。在學(xué)生流量大時(shí)，可選擇低檔位平穩(wěn)運(yùn)行，保證行駛安全。

本課題整車質(zhì)量約為500kg，根據(jù)現(xiàn)有條件，電機(jī)參數(shù)為620rpm，3kW，24V，輪轂直徑為16英寸，車輪半徑為305mm，可計(jì)算出電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力及最高車速。

其最大靜摩擦力為50N。因車輛驅(qū)動(dòng)力必須大于靜摩擦力才能保證正向行駛，因此傳動(dòng)比i>1.7，雙軸式5速手動(dòng)變速器傳動(dòng)比區(qū)間可完全滿足設(shè)計(jì)要求。

則最大車速為：

式中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r為車輪半徑。

通過(guò)計(jì)算本課題車速可達(dá)到60km/h，滿足校內(nèi)行駛需求。

4 懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

懸架總成是汽車的一個(gè)重要組成部分，它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力、縱向反力和側(cè)向反力以及將這些反力所造成的力矩傳遞到車架上，以保證汽車的正常行駛。本設(shè)計(jì)的前后懸架均采用獨(dú)立懸架。

本設(shè)計(jì)車輛前輪距為1650mm，上桿架寬為700mm，下桿架寬為650mm，本課題組根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定主銷關(guān)節(jié)軸承安裝孔距離軸中心為80mm，以及懸架與車架的焊接塊長(zhǎng)35mm。根據(jù)輪距、上桿架寬度、下桿架寬度、焊接塊長(zhǎng)度及主銷關(guān)節(jié)軸承安裝孔位置，可計(jì)算出懸架的垂直距離為449mm。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本課題選用的桿件的外徑為16mm，內(nèi)徑為12mm，管壁厚為2mm，桿件可用M10薄螺母、M10關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行鏈接。水平方向上M10關(guān)節(jié)軸承所占距離為20mm，M10薄螺母所占距離為4.85mm，套筒所占距離為17mm，設(shè)定安裝伸出的螺紋均為3.15mm，所以桿長(zhǎng)為：

L=449-（20+3.15+4.85+17）×2

通過(guò)計(jì)算得出桿長(zhǎng)為359mm。

取安裝懸架上橫臂的兩個(gè)焊接塊垂直距離為178mm，且兩叉臂的張角定為50度，因此斜叉臂在垂直車架叉臂上的焊接大致位置為：

359+45-178×cot50

通過(guò)計(jì)算，其結(jié)果為約255mm。

后懸掛計(jì)算方法與前懸掛一致，因篇幅原因，在此不再贅述。

5 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題采用液壓盤式制動(dòng)器，制動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將來(lái)自駕駛員或其他力源的力傳給制動(dòng)器，使之產(chǎn)生制動(dòng)力矩。液壓制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：作用滯后時(shí)間短（0.1～0.3s），工作壓力高（可達(dá)10～12MPa），輪缸尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、質(zhì)量小、造價(jià)低、機(jī)械效率高。

在車輛進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)襯塊與制動(dòng)盤完全接觸，且各單位壓力分配較為均勻，其制動(dòng)力矩為：

式中f為摩擦因數(shù)，F(xiàn)0為單側(cè)制動(dòng)塊對(duì)制動(dòng)盤的壓緊力，R為作用半徑。

對(duì)于常見(jiàn)扇形制動(dòng)塊，其平均半徑為：

式中R1為制動(dòng)塊內(nèi)半徑，R2為制動(dòng)塊外半徑。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中制動(dòng)盤的要求，該盤平面度公差為0.012mm，表面粗糙度為0.7～1.3μm，兩摩擦表面的平行度公差不應(yīng)大于0.05mm，制動(dòng)盤的斷面圓跳公差不應(yīng)大于0.05mm，制動(dòng)盤的斷面圓跳動(dòng)公差不應(yīng)大于0.03mm。通常制動(dòng)盤采用摩擦性能好的珠光體灰鑄鐵制造，為保證足夠的強(qiáng)度和耐磨性能，其牌號(hào)不應(yīng)低于HT250。

基于以上分析，結(jié)合本設(shè)計(jì)現(xiàn)有條件，對(duì)于制動(dòng)盤及制動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用捷達(dá)汽車制動(dòng)盤及制動(dòng)鉗總成。捷達(dá)制動(dòng)總成，使用性能穩(wěn)定，故障率低，易于保養(yǎng)維護(hù)，滿足本課題使用要求。

6 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接決定了車輛行駛平穩(wěn)性、指向性、安全性、舒適性等關(guān)鍵指標(biāo)。本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向梯形前置，轉(zhuǎn)向拉桿橫置，轉(zhuǎn)向機(jī)選用穩(wěn)定性更好的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器。由于在轉(zhuǎn)向節(jié)臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿以及齒條機(jī)構(gòu)的連接必然存在微小的間隙，如果將轉(zhuǎn)向梯形后置將會(huì)導(dǎo)致車輛入彎時(shí)由于整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將受到來(lái)自轉(zhuǎn)向輪的橫向力作用，此作用力會(huì)壓縮連接部件之間的間隙，導(dǎo)致稍微增加轉(zhuǎn)向角度，造成微小的轉(zhuǎn)向過(guò)度感，不利于在彎中的操控性。

本課題選用的轉(zhuǎn)向梯形為整體式轉(zhuǎn)向梯形。汽車轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，受彈性輪胎側(cè)偏角的影響，所有車輪不是繞后軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而是繞前軸與后軸間的汽車內(nèi)某點(diǎn)滾動(dòng)。此點(diǎn)位置與前輪和后輪的側(cè)偏角大小有關(guān)。若要保證全部車輪繞一個(gè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心行駛，則梯形機(jī)構(gòu)應(yīng)保證內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角關(guān)系為：

式中L為車輛軸距，本課題軸距選取為2750mm，K為兩主銷延長(zhǎng)線到地面交點(diǎn)間距離。θi與θ0代表內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)角。

其中θi為：

θ0為：

式中Dmin為車輛最小轉(zhuǎn)彎半徑，a為主銷偏移距。

最小轉(zhuǎn)彎半徑可根據(jù)對(duì)本校實(shí)際路況進(jìn)行測(cè)量設(shè)計(jì)得出，主銷偏移量可根據(jù)懸架的設(shè)計(jì)通過(guò)Ansys Workbench的仿真校核機(jī)調(diào)整得出。

7 電池的選用

本課題設(shè)計(jì)車輛主要針對(duì)校內(nèi)，因此必須要有足夠大的電池容量。電池容量大固然可以有效增加車輛行駛里程，但其所占空間及重量也會(huì)隨之增加，考慮到車輛底盤的空間狀態(tài)和承重能力，及設(shè)計(jì)工作需求，本設(shè)計(jì)選用鋰動(dòng)力電池作為該電動(dòng)車的動(dòng)力源。根據(jù)使用要求及現(xiàn)有條件，電動(dòng)車車速為60km/h，電機(jī)功率為3kW。電動(dòng)車行駛時(shí)間為：

電池容量為：

式中P為電機(jī)功率，U為電機(jī)電壓。

8 電氣設(shè)備設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)電氣系統(tǒng)分為強(qiáng)敵部分及弱點(diǎn)部分。其中強(qiáng)電部分主要為動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行供電;弱電部分主要為喇叭、燈光、音響、玻璃升降、倒車提醒等電氣設(shè)備進(jìn)行供電。另外，本設(shè)計(jì)在動(dòng)力系統(tǒng)中加設(shè)動(dòng)力回收裝置，在車輛滑行或制動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)力反傳原理，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力回收電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，為蓄電池充電，以此來(lái)提高續(xù)航里程。

9 有限元分析

本設(shè)計(jì)通過(guò)有限元方法分析校內(nèi)電動(dòng)觀光車整車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)，可大大提高設(shè)計(jì)效率，簡(jiǎn)化從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的時(shí)間周期。通過(guò)運(yùn)用有限元軟件對(duì)整車強(qiáng)度、剛度和模態(tài)的分析，可得到有限元分析結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行分析和修改，使本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到使用要求。

10 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要對(duì)校園電動(dòng)觀光車的整體布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)各系統(tǒng)的主要元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及選擇，并通

過(guò)有限元分析對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證及校核，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，使本設(shè)計(jì)能夠符合國(guó)家各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，保證能夠完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。